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遺伝子工学は生命科学の研究分野のみならず、広く産業界においても利用されている。遺伝子の構造の研究からは、真核細胞のDNAにおける介在配列(イントロン)の発見、核酸酵素(触媒作用をもつRNA)の発見、タンパク質やその前駆体の構造決定、遺伝子発現のしくみなどの解明に多大の貢献をした。特に,医学領域では遺伝子疾患の分子レベルでの解明が可能となり,癌遺伝子や難病の研究など、多くの成果を生んだ。PCR法の登場により、ミイラや絶滅動物などの古生物学の研究や、遺伝子鑑定など法医学への応用も可能となった。微生物にヒトのタンパク質を作らせる試みは、特に産業界の注目を集めた。インシュリン、ACTHなどのペプチドホルモン、血栓溶解剤として用いられるウロキナーゼなどの酵素、インターフェロンやインターロイキンなどの免疫治療剤、ワクチンタンパク質などが、融合タンパク質法や発現ベクターを用いて生産された。また、自然界にはないような変異タンパク質を作ることも可能で、部位特異的変異導入法を用いればタンパク質中の任意のアミノ酸を他のアミノ酸で置換することができる。従来のやり方では成し得なかったタンパク質の機能改変が可能となった。
クローン羊の衝撃的な報告に見られるように、遺伝子工学は発生工学とタイアップして,これまでの交配によるやり方から枠を外れ、全く新しい次元の品種改良の道も開いた。また、医療の面における応用も数多く報告されている。しかしながら、遺伝子の本体を人工的に操作することは、社会的、倫理的な諸問題を含んでおり、決して濫用すべきものではないことも十分知っておく必要がある。
遺伝子やタンパク質の構造と機能の解析 有用タンパク質の生産 新規タンパク質の創製 遺伝子工学 古生物学の研究 犯罪捜査への利用 生物の品種改良 遺伝子診断と病因解析 遺伝子治療
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- イントロンの発見とプロセシング機構の研究
- 核酸酵素(Ribozyme)の発見。
標的RNAを切断するリボザイムをデザイン。特定の遺伝子の発現を抑制したり、RNAウィルス疾患の治療に有用。
[ハンマーヘッド型リボザイム(RNAを切るハサミ)]
枠内の配列は、ハンマーヘッド型リボザイムの共通配列。- RNA編集(エディティング)の発見
- 遺伝情報がRNAレベルで書き換えられるという,遺伝子発現の多様性の1つ。
- 転写制御因子群の発見
- 真核細胞における転写調節のメカニズムの解明。
- 免疫グロブリンやT細胞受容体を解明。
- ヒトはこの世に存在するあらゆる抗原(antigen)に対して抗体(antibody)をつくることができる。このようなタンパク質分子の多様性がどのようにして生じるかという免疫学の問題はは,免疫グロブリン遺伝子(ゲノムDNA)を調べることで解決された。抗体産生細胞(Bリンパ球)の発生初期の段階で,DNAレベルでのスプライシングによって遺伝子の再構成が起き,莫大な数の抗体遺伝子を準備できるためである。また,スプライシングの位置を少しずらすことや,リンパ球内での免疫グロブリン遺伝子の高頻度の突然変異なども,抗体の多様性を増加させる一因である。
[免疫グロブリンのドメイン構造] [免疫グロブリンの立体構造]
[免疫グロブリンH鎖遺伝子の再構成]
免疫グロブリン遺伝子の可変域(Variable region)はV, D, Jの3領域に分断されてコードされ,それぞれのV, D, J領域は複数の類似した配列が直列に多数つながっている。
[標的遺伝子の破壊]
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ホルモン、免疫治療剤、酵素製剤、ワクチンタンパク質を大腸菌や酵母でつくる
産業界に大きな影響
分類 | 物質 | 用途 |
ペプチドホルモン | インスリン ヒト成長ホルモン ACTH エンドルフィン 副腎皮質ホルモン(PTH) カリクレイン アンギオテンシノーゲン EGF ウシ成長ホルモン |
糖尿病 小人症、骨折創傷治療 副腎皮質不全(ステロイド離脱) 鎮痛 テタニー 高血圧症 血圧の調節 創傷治療 牛乳生産増加 |
インターフェロンおよび リンホカイン |
IFNa、IFNb、IFNg IL-2(TCGF) |
ウィルス疾患や悪性腫瘍 免役不全症 |
血液成分 | 抗血友病因子(IX因子、VIII因子) フィブリノーゲン アルブミン アンチトロンビンIII a1-アンチトリプシン |
血友病 出血性素因 低アルブミン血症 血栓症、DIC 気腫 |
ウィルスなどの抗原 | B型肝炎(HBs, HBc, e抗原) A型肝炎、インフルエンザ 小児麻痺やトリパノソーマ マラリア、口蹄病ウィルス |
ワクチンの製造 |
酵素 | 各種プロテアーゼ (ウロキナーゼ、 組織プラスミノーゲンアクチベーター、 ペプシノーゲン) 仔ウシプロキモシン |
血栓溶解、消炎 チーズの製造 |
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合成DNAを用い、遺伝子操作によって標的タンパク質の任意のアミノ酸残基を変化させる手法
自然界にはない変異タンパク質の創製。熱や有機溶媒に対する安定性。
タンパク質の機能の研究や酵素機能の改変
リゾチーム | 溶菌活性 | グリコール キチン加水分解活性 |
(GlcNAc)3との 結合活性 (M-1) |
野生型(Trp62) | 100% | 100% | 7.5×104 |
Tyr62 | 180±15% | 85% | 1.2×104 |
Phe62 | 240±15% | 62% | 73×104 |
His62 | 225±20% | 18% | 15×104 |
tag配列をプローブにして目的タンパク質を検出 |
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遺伝子操作で改変された生物をトランスジェニック(transgenic)生物という。
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遺伝子疾患のタイプ |
1. 部分的または全体的遺伝子欠失 サラセミア、血友病ほか、多くの報告がある。 2. 遺伝子発現調節領域の変異や欠失 3. スプライシング異常によるmRNA合成障害 4. 産生タンパク質の異常 アミノ酸置換や終止コドン出現による不活性化。 5. CAGなどの3塩基繰り返し配列の反復回数の増大 繰り返し配列はコード領域だけでなく、リーダーやトレーラー配列、 イントロン内にも見られる。 神経疾患に多く見られる病気トリップレットリピート病という。 脆弱X症候群、ハンチントン病、脊髄小脳変性症、筋緊張性 ジストロフィー、Friedreich運動失調症など。 |
《ハンチントン病とCAG反復回数》 第4染色体の遺伝子の異常。コード領域内にCAGの反復配列がある。正常人では反復回数は6〜36回であるが、患者では37〜100回。 |
[制限酵素断片長多型性(RFLP)法による遺伝子診断] |
患者遺伝子の変異が制限酵素の切断パターンの変化として現れることを利用。 |
レトロウィルス | 成熟ウィルス | |
ヘルパー ウィルス |
空のウィルス | |
ヘルパー + ベクター |
組換えウィルス | |
[遺伝子治療用のウィルスベクター] | ||
レトロウィルスのgag-pol-env領域に目的の遺伝子を組み込み,ベクターをつくる。ヘルパーウィルスと 混ぜると,ヘルパーウィルスRNAはパッケージングシグナルがないのでパッキングされないが, ベクターはパッケージされる。 |
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gag:内殻タンパク質群遺伝子 pol:逆転写酵素遺伝子 env:外膜糖タンパク質遺伝子 LTR(long terminal repeat):宿主のDNAに挿入されるのに必要。 エンハンサー,プロモーター,ターミネーター配列がある。 Ψ: ウィルス遺伝子がウィルス粒子内に入り込むために必須の配列。 (パッケージングシグナル) |
[自家移植法] |
[直接投与法] |
[遺伝子治療] |
疾患 (対象遺伝子/標的細胞) |
遺伝病 先天性重症複合免役不全症(ADA遺伝子/リンパ球、骨髄幹細胞) Lesch-Nyhan症候群(HGPRT遺伝子/神経細胞) ゴーシェ病(グルコセレロシダーゼ遺伝子/骨髄幹細胞) 家族性高コレステロール血症(LDLレセプター遺伝子/肝細胞) サラセミア(グロビン遺伝子/骨髄幹細胞) 血友病(VIII, IX凝固因子遺伝子/繊維芽細胞、血管内皮細胞) 遺伝性肺気腫(a1-アンチトリプシン遺伝子/肺上皮細胞) 嚢胞性繊維症(CF遺伝子/肺上皮細胞) 癌 1) 直接療法−癌細胞の正常化 (アンチセンス遺伝子、癌抑制遺伝子/癌細胞) 2) 免疫療法−免疫系の活性化 (サイトカイン遺伝子/リンパ球、癌細胞) AIDS (抗HIV遺伝子/リンパ球、骨髄幹細胞) |
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