46

文献およびゲノム解析データベースを利用した
ヒト疾患原因変異の解析例

ナンセンス変異：一塩基置換により、翻訳領域中に終止コドンが出現する変異

鴨下 信彦
自治医科大学

平本 貴史
医学部

柏倉 裕志

早川 盛禎

大森 司

生化学

• Jichi Medical University
トーゴーの日シンポジウム2022

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鴨下 信彦（自治医科大学 医学部）nkamo@jichi.ac.jp

Introduction

生物の「変異」・病気の原因にもなるが、変異が起こらなければ生物の進化もない
・変異の数が最も調べられている生物

ヒト

太古から続く医学の歴史
近代・近年の科学の進歩「変異」の中で最も多いのは、一塩基置換・わずか１塩基の置換だから、頻度が多い。
・わずか１塩基の置換だけれども、種類が多い。
１つには変異が起こる場所の影響を受けるから。
・翻訳領域の中にあるものだけで、３種類
CAG (Gln)(1) ナンセンス
TAG (− or Ter:翻訳終結)
トーゴーの日シンポジウム2022(2) ミスセンス
AAG (Lys) GAG (Glu)CCG (Pro) CGG (Arg) CTG (Leu)
CAC (His) CAT (His)(3) サイレント
CAA (Gln)

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鴨下 信彦（自治医科大学 医学部）

Introd.~
Methods

大腸菌のナンセンス変異

Garen (1968)

TAA, TAG, TGAの３通り
タンパク質合成が途中で終結＞影響はsevere

ナンセンス変異から表現型を回復する一塩基置換
TAA: ７通りのうちの１つ
TAG: ８通り (左図)
TGA: ８通り＊(Tyr Cys Argは２つ)
目的はヒト
ナンセンス変異の解消には元コドン情報が必須＞データベースによる解析
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鴨下 信彦（自治医科大学 医学部）

Introd.~
Methods

ヒトの変異：ヒトの染色体は46,XY

・男性のX,Y以外は遺伝子は２つ一つの遺伝子上の塩基配列の変化(=変異)が、疾患に直結するわけではない
モデル生物で使用されて来たナンセンス変異とは違いが…

使用語句について今まで述べてきた「変異」＝DNAの塩基配列の変化：
塩基変化 (またはnucleotide change) と呼ぶことにします
患者検体から同定された病気の原因となる塩基変化：
mutation (または患者mutation)
健康人中の塩基変化：variation (物質上mutationと同じものでも!)対象遺伝子：原発性高アンモニア血症 (尿素サイクル異常症)
enzymes: NAGS CPS1 OTC ASS1 ASL ARG1transporters: ORNT1/SLC25A15 CITRIN/Citrin/SLC25A13
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Two diﬀerent approaches
to characterize nonsense nucleotide change

Introd.~Methods

1. Bottom-up approach'mutations' in patients

2. Bird’s-eye view approach'variations' in healthy population

Medical diagnosis & gene examination
TogovarPublication
ClinVardbSNP

jMorp 38K JPN

gnomAD 3.1.2
OthersHGMD
The Human Gene Mutation
Database

Databases
download & literature searchsearch & filtering 'stop_gained'

Datasets
Dataset 1 ('nucleotide change') L (location) =194
Dataset 2 (patient mutations) L=152, n=352

Dataset 3 (variations) L=60

(1) Position & sequence change; (2) Frequency
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Results
1

Location of patient mutations: asymmetry among 23 changes

Among 152 locations (in 4562 codons), all 23 types of changes were observed.

LysAAA
Gln CAA

Ser
TCA
TAA

Glu

TAT

Trp

Lys
TGG
Ser
AAG
TCG

TGG

TTA Leu Gln CAG
TAC

GAA

Trp

Tyr

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TAG

TAT

Tyr

AGA

CGA

TCA
TGA

Gly

TGT

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TTA Leu
TGC

GGA

TAC

GAG
Glu

TTG Leu

Arg

SerCysResults1Location of patient mutations: asymmetry among 23 changes

Among 152 locations (in 4562 codons), all 23 types of changes were observed.

LysAAA
Gln CAA

Ser
TCA
TAA

Glu

TATTrp

Lys
TGG
Ser
AAG
TCG

TGG

TTA Leu Gln CAG
TAC

GAA

Trp

Tyr

38

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TAG

TAT

Tyr

AGA

CGA

TCA
TGA

Gly

61

TGT

53

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TTA Leu
TGC

GGA

TAC

GAG
Glu

TTG Leu

Arg

SerCysResults
1Location of patient mutations: asymmetry among 23 changes

Among 152 locations (in 4562 codons), all 23 types of changes were observed.

LysAAA
Gln CAA

SerTCATAAGlu

TATTrp

Lys
TGG
Ser
AAG
TCG

TGG

TTA Leu Gln CAG

TAG

GluTyr38

Arg

TTG Leu

TATTyr

AGA

CGA

Gly

61
base transversion
CorT⇄AorG

8864

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TGA

TGT

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TTA Leu
TGC

53base transition
C⇄T; A⇄G

Ser
TCA

GGA

TAC

GAG

TAC

GAA

Trp

Cys

Results
1Location of patient mutations: asymmetry among 23 changes

Among 152 locations (in 4562 codons), all 23 types of changes were observed.

LysAAA
Gln CAA

SerTCA
TAA

Glu

TAT

Trp

Lys
TGG
Ser
AAG
TCG

TGG

TTA Leu Gln CAG

TAG

Glu

Tyr

38

Arg

TTG Leu

TATTyr

AGA

CGA

Gly

61
base transversion
CorT⇄AorG

8864

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TGA

TGT

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TTA Leu
TGC

53base transition
C⇄T; A⇄GSer
TCA

GGA

TAC

GAG

TAC

GAA

Trp

Cys

Results

Location of patient mutations: asymmetry among 23 changes

1Among 152 locations, all 23 types of changes were observed.
Trp

Trp
Lys
AAA
10Gln CAASerTCA

31
TAA

TTA Leu Gln CAG
TAC

GAAGluLysTGGSer
AAG 9TCG

TATTyr38

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TAG

CGA

TATTyr27

TGAGly61

TGT53

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TTA Leu
TGC

GGA

TAC

GAG
Glu

TTG Leu

Arg

TGG
Ser
AGA 11TCA

Cys

Results

Location of patient mutations: asymmetry among 23 changes

1Among 152 locations, all 23 types of changes were observed.
Trp

Trp
Lys
AAA
10Gln CAASerTCA

31TAA

TTA Leu Gln CAG
TAC

GAAGluLysTGGSer
AAG 9TCG

TATTyrTAG

38

CGA

TAT

Tyr

27

TGA

Gly61

TGT53

When codon frequency is considered,

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TTA Leu
TGC

GGA

TAC

GAG
Glu

TTG Leu

Arg

TGG
Ser
AGA 11TCA

Cys

Results

Location of patient mutations: asymmetry among 23 changes

1Among 152 locations, all 23 types of changes were observed.
Trp

Trp
Lys
AAA
10Gln CAASerTCA

31TAA

TTA Leu Gln CAG
TAC

GAAGluLysTGGSer
AAG 9TCGTAT

TyrTAT

38CGA

Tyr27

Gly61

TTA Leu

TGATGCGGATAC

GAG
Glu

TTG Leu

TAG

Arg

TGG
Ser
AGA 11TCA

TGT

Cys

53

When codon frequency is considered, CGA>TGA is by far the hot spot.
CAA
TAA
10/ 43

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CAG
TAG
31/132CGA
TGA
27/ 30 90%!

TGG

TGG
TGA
11/ 53TAG
9/ 53

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Results
2

Frequency of patient mutations
L=152/ 4562 codons

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Results
2

Frequency of patient mutations
L=152/ 4562 codons(1) 70% of L=152 n=1,80% n=1 or 2

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Results
2

Frequency of patient mutations
L=152/ 4562 codons(2) CGA > TGA
n=4~11 (hot spot)(1) 70% of L=152 n=1,80% n=1 or 2

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Results
2

Frequency of patient mutations
L=152/ 4562 codons
SA: CAG>TAG
n=30 /30(3) regionally high
JP: TCG/Ser>TAG

n ~20 or more

n=20 /20

PT&BR: CGA>TGA
n=14 /18(2) CGA > TGA
n=4~11 (hot spot)(1) 70% of L=152 n=1,80% n=1 or 2

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Results
3

Nonsense variation & mutation
L=60

L=152

jMorp38K+gnomAD v3.1.2

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Methods

Populations in genomics study'variations' in healthy population

gnomAD 3.1.2

gnomADv3.1.2

jMorp38K

JPN 38,722
NFE 34,029
AFR 20,744
AMR 7,647
FE 5,316
EAS 2,604
SAS 2,419ASJ 1,736
OTH 1,047
AMI456
ME158

jMorp 38K JPN

JPN 38,722
NFE 34,029
AFR 20,744
AMR 7,647
FE 5,316
EAS 2,604
SAS 2,419
ASJ 1,736
OTH 1,047
AMI456ME158

JPN Japanese
NFE non-Finnish European, AFR Africa/ African American,
AMR Latino/ Admixed American, FE Finnish European, EAS East Asian,
SAS Southern Asian, ASJ Ashkenazi Jewish, OTH others,
AMI Amish, ME Middle East
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Results
3ʼ

Nonsense variation & mutation
L=60

L=152jMorp38K+gnomAD v3.1.2*no adequate
population study

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Results
4Nonsense variation vs mutation in JapanA. Type of nucleotide change
CGA>TGACAG>TAG
Trp

100

10Mutations
1Others

0.1

Count of zero was 0.1
plotted as log 0.1.

B. Type of gene deficiency

1

10100

10100

Variations

100CPS1
NAGS_ASS1_ASL

10

ARG1_ORNT1
Citrin10.1

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0.1

1

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SummaryAcknowledge
ments

Nonsense nucleotide changes in patients and healthy populations
are…

Diverse and can be dynamic
1.

Most changes are sporadic.
80% of mutations and 70% of variations occur atmost twice (in the current search level).

2.
3.

CGA> TGA is a hot spot.
Frequency of some mutations and variations canbecome regionally high.

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