三田国際学園高等学校
香川七海（顧問：辻敏之）

日本農芸化学会

タンパク質のアミノ酸変異と遺伝疾患の関連

本 研 究 は， 日 本 農 芸 化 学 会 2019 年 度 大 会（開 催 地： 東 京 農のアミノ酸 B への変異が起きたとき，この変異が疾患を業 大 学） の「ジ ュ ニ ア 農 芸 化 学 会」 で 発 表 さ れ た も の で あ引き起こす事例数と疾患と無関係である事例数をそれぞる．発表者らは，遺伝子の変異が原因となる遺伝疾患は，遺化学と生物●

伝子の変異→アミノ酸の変異→生体内を構成するタンパク質の異常につながることから，タンパク質のアミノ酸変異と疾れ算出した．あるアミノ酸変異（A→B）における疾患関連度を疾患関連スコアとして以下のように定義した．

患の関係を事例数として算出し，タンパク質の構造におけるScore  log(NDA B / NPA B)

変異アミノ酸の位置と種類についてもその関連を考察した．

ただし，ここで本研究の目的，方法および結果と考察【目的】
タンパク質は生物の体内でさまざまな働きをしている．タンパク質は遺伝子が転写・翻訳により，DNA 配列に対応したアミノ酸が運ばれ，結合することでできる．タンパク質はアミノ酸の並び順と並んだアミノ酸の性質によって構造が決まる．タンパク質の構造はその機能と関係があることがわかっている．遺伝子の配列が変化するとタンパク質を構成するアミノ酸配列も変化する場合があり，タンパク質の構造や機能が変化する場合がある．タンパク質を構成するあるアミノ酸が一つ変化したとき，疾患になる場合と疾患にならない場合があり，この違いはいまだに明らかではない．
本研究ではタンパク質のアミノ酸変異と遺伝疾患の発症の関係を明らかにすることを目的とした．
【方法】
タンパク質データベース Uniprot(1) で公開されているアミノ酸変異データ humsavar.txt(2) を使った．humsavar.
txt には変異が起こる遺伝子，コードされているタンパク質，変異位置，変異前後のアミノ酸（変異パターン），変異によって疾患が生じるかどうか，生じる場合の疾患名

A→B を疾患と関連するアミノ酸 Aからアミノ酸 B の変異の事例数，

A→B を疾患と関連しない変異 A→B の事例数とした．すべてのアミノ酸変異に関して疾患関連スコアを計算した．この疾患関連ス
コアと変異前後の疎水性変化，体積変化との関係を調べた．アミノ酸の疎水性指標として Kyte‒Dolittle の疎水性インデックス (3) を使用した．
次にタンパク質の立体構造上の位置によってアミノ酸変異と疾患発症の間に違いが生じるかを検討した．タン
パク質立体構造データベース PDB(4) を用いて立体構造が明らかになっているアミノ酸変異について疾患関連スコアを改めて算出した．各タンパク質について Uniprot を参照し，DR 行に PDB の Cross Reference が指定されているものを立体構造が明らかなタンパク質だと考えた．
そのなかから変異が生じるアミノ酸がある領域の構造が明らかであるものを抽出した．変異が生じている箇所がタンパク質の外側にあるか，内側にあるかに注目した分類をおこなった．タンパク質を構成するアミノ酸の溶媒露出面積を計算するため，DSSP(5) を用いた．溶媒露出面積が 10 Å2 以下のアミノ酸を埋没している，それ以上露出しているものを露出していると定義した．埋没しているアミノ酸と露出しているアミノ酸でそれぞれ疾患と関わりのあるアミノ酸変異を検討した．

が示されている．このデータからあるアミノ酸 A から別

化学と生物 Vol. 57, No. 8, 2019515

表 1-1 ■ 疾患との関わりが弱い変異
変異

スコア

セリン→アラニン
イソロイシン→バリン
バリン→イソロイシン
スレオニン→セリン
セリン→スレオニン
アルギニン→リジン
ロイシン→イソロイシン
スレオニン→アラニン
セリン→グリシン
フェニルアラニン→チロシン− 3.54− 3.31− 2.99− 2.78− 2.58− 2.44− 2.43− 2.34− 2.31− 2.18●

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表 1-2 ■ 疾患との関わりが強い変異
変異

スコア

システイン→フェニルアラニン
トリプトファン→セリン
システイン→グリシン
グリシン→ロイシン
トリプトファン→システイン
メチオニン→アルギニン
システイン→トリプトファン
グリシン→システイン
システイン→トリプトファン
アルギニン→プロリン

2.13
1.82
1.64
1.58
1.58
1.51
1.51
1.45
1.43
1.31

【結果および考察】

化学と生物

humsavar.txt から網羅的に疾患関連スコアを計算した．
表 1-1 に疾患と関連性の弱いアミノ酸変異上位 10 種を，表1-2 には疾患と関連性の強い変異上位 10 種を示した．挙がった変異を見ると，セリン（Ser）からアラニン（Ala）

図 1 ■ 疾患関連スコアと体積変化・疎水性変化の関係
全変異に対する疾患関連スコアと変異前後での A）アミノ酸の体積変化；B）アミノ酸の疎水性変化を調べた．横軸は変化後のアミノ酸の体積・疎水性から変化前のアミノ酸の値を引いたものを示している．

患になりにくい傾向があることがわかる．

への変異は体積がどちらも小さく，大きく変化しないといタンパク質に埋没しているアミノ酸変異・露出している

える．同様にイソロイシン（Ile）とバリン（Val），Ser とアミノ酸変異と疾患の関係性（図 2）から水に露出しているスレオニン（Thr）も性質がよく似ていてタンパク質の構アミノ酸が変異するより，タンパク質内部に埋没している造や機能に大きな影響が少ないと考えられる．疾患を引アミノ酸が変異する方が疾患になりやすいということがわ

き起こす可能性が多い変異では，最も疾患関連スコアがかる．また，タンパク質内部でアルギニン（Arg），プロリ高かったシステイン（Cys）からフェニルアラニン（Phe）ン（Pro）に変異すると疾患になりやすいことがわかる．

への変異，Cys から Gly の変異は共通して Cys を失う変異

Argは正電荷残基であり，Proはタンパク質の構造を制限である．この変異ではシステインによるジスルフィド結合する．また，このことはタンパク質内部に埋没しているアミができなくなり，大きく構造安定性を失うことが想像できノ酸はタンパク質の構造・機能に強く関わっているというる．トリプトファン（Trp）から Ser の変異は体積が大き先行研究 (5) を示唆する結果である．タンパク質は生体内でく変化する．これらの変化は性質や体積に大きな変化が水分子に囲まれているため，タンパク質の内部に埋没してあり，タンパク質の構造や機能に影響を及ぼすことが想いるアミノ酸は疎水性が高く，疎水性相互作用で密にパッ像できる．このように疾患関連スコアとアミノ酸の変異前キングしている．タンパク質内部においてアミノ酸の体積後での性質変化を調べることで，アミノ酸のどのような性変化や疎水性変化が起こるとタンパク質の構造安定性が崩

質が遺伝疾患に関わるかが推測できると考えた．

れ，機能不全を起こし，疾患を引き起こすと考えられる．

疾患関連スコアと体積変化，疎水性変化の関係を図 1に示した．変異全体を見ても，個々のアミノ酸変異を観察したときと同様に，アミノ酸の体積・疎水性に大きく変化があると疾患になりやすく，変化が小さければと疾516

本研究の意義と展望
本研究では遺伝疾患データベースを用いて，どんなアミ化学と生物 Vol. 57, No. 8, 2019

日本農芸化学会●化学と生物
図 2 ■ アミノ酸変異の種類と疾患との関連性
A）タンパク質内部に埋没したアミノ酸の変異と疾患になりやすさの関連性；B）タンパク質表面に露出したアミノ酸の変異と疾患になりやすさの関連性 緑は疾患との関連性が低いことを示し，赤は疾患との関連性が高いことを示している．

ノ酸変異が遺伝疾患を引き起こすのかを検討した．その結果，アミノ酸の体積・疎水性が大きく変化すると遺伝疾患になりやすい傾向があることがわかった．また，タンパク質内部に埋没したアミノ酸が変異を起こすと疾患になりやすい傾向があることもわかった．アミノ酸の性質の大きい変化の影響，特に構造を支えている内部でのアミノ酸が重要であることから，遺伝疾患はタンパク質の構造安定性が下がることで引き起こされるのではないかと考えられる．
今後はタンパク質の内外だけでなく2 次構造やタンパク質同士の接触部位などに着目したときに疾患に関連するアミ

文献1) The UniProt Consortium:, 47(D1),
D506 (2019).
2) C. H. Wu, R. Apweiler, A. Bairoch, D. A. Natale, W. C.
Barker, B. Boeckmann, S. Ferro, E. Gasteiger, H. Huang,
R. Lopez:, 34, D187 (2006).
3) J. Kyte & R. F. Doolittle:, 157, 105 (1982).
4) W. Kabsch & C. Sander:, 22, 2577 (1983).
5) J. C. Gaines, A. H. Clark, L. Regan & C. S. O Hern:, 29, 293001 (2017).
Copyright © 2019 公益社団法人日本農芸化学会
DOI: 10.1271/kagakutoseibutsu.57.515

ノ酸変異にはどのような特徴があるのかを検討したい．
謝辞：研究を支えてくださった三田国際学園高等学校の天貝博士，深田博士，ならびにクラスの皆に感謝いたします．

化学と生物 Vol. 57, No. 8, 2019517