森基金結果報告書

森基金結果報告書
遺伝子情報解析プロジェクト

はじめに
鵜野レイナ:「大腸菌組換え促進配列（χ配列）」
小澤陽介:「真核生物の翻訳終結部位周辺における情報量と遺伝子の発現量との相関について」
河村優美:「複製方向に対するグアニン塩基の偏りの生成メカニズムに関する進化的考察」
熊谷禎洋:「マウスｃDNAにおける二次構造解析」
坂井寛章:「同義語コドン使用の偏りと5'非翻訳領域の保存性の関係のコンピュータ解析」
福田陽子:「オーバーラップ遺伝子の構造とゲノムの進化的距離の関係」
山下智也:「Vibrio Cholerae El Tor N16961網羅的解析」
国際コンソーシアム参加実績、およびその他実績
おわりに

はじめに

　生命科学と情報科学の境界領域である「バイオインフォマティクス」は21世紀のサイエンスとして近年脚光を浴びています。その「生命情報科学」の分野を確立することを目的に研究を行ってきている。

2000年6月現在、ヒトゲノムの９７％の読み取りが終了しています。ヒト以外では現在までにすでに約３０の生物種の全ゲノム配列がパブリックのデータベースに格納されています。このことにより、解析の対象が非常に広がり、より多様な研究を行うことが可能となった。実際2000年度は、多くの学会に参加して研究成果を発表するなど、実り多き1年となった。「ゲノム生物学」はこれから益々重要な位置を占める学問となるであろう。今後そうした中で、我々も積極的に「ゲノム生物学」に貢献していきたいと考えている。昨年度は以下のサブプロジェクトを設定し研究を行った。その概要と実績を示す。また国際コンソーシアムにおける貢献と実績(Nature誌掲載)、他を示す。

大腸菌組換え促進配列（χ配列）

　大腸菌において、χ配列 (5'-GCTGGTGG-3') は RecBCD により認識され相同組換えを促進するホットスポットである。1009個のχ配列が大腸菌ゲノム内に存在し、このうち989個ものχ配列がORF内に存在している。　
χ配列の約 75% は複製方向を向いており、それらはDNAの損傷を修復するという機能の為であると一般的には考えられている。また、χ配列の転写方向への偏りはそれを上回る約 79% であり、この方向性も RecBCD の役割と関連があるのではないかと考えられている。しかしながら解析の結果、χ配列の複製方向への偏りはゲノム上のG・Cの偏り（GC skew）で説明できることが分かった。同様に転写方向に関しても GC skew, AT skewにより説明が可能である。さらにχ配列が存在する遺伝子機能を調べた結果、rRNA, tRNA, ribosomal protein などの発現量が高い遺伝子にχ配列が存在しないことから、CAI値を用いて発現量に関しても解析を行なったが、この傾向はゲノム配列中に多く存在する GC リッチな配列の一般的傾向であることがわかった。

実績
掲載論文：

"The orientation bias of Chi sequences is a general tendency of G-rich oligomers" Uno, R., Nakayama, Y., Arakawa, K. and Tomita, M. GENE Abstract
鵜野レイナ, 2000."χ配列における複製方向と転写方向の関連性と χ配列をもつ遺伝子とその読み枠" 生命と情報 6: 51-70.

学会ポスター発表：

バクテリアゲノムにおけるχ配列と遺伝子発現量の相関に関する解析鵜野レイナ、最上丈仁、中山洋一、荒川和晴、冨田勝、第２３回分子生物学学会2000
バクテリアゲノムにおけるχ配列およびオリゴ配列の方向性に関する解析荒川和晴, 鵜野レイナ,中山洋一, 冨田勝、第23回日本分子生物学学会、2000
Computational Analysis of the Strand Bias of the Chi Sequences and　 Other Oligonucleotides in Bacterial Genomes, Arakawa, K., Uno, R., Nakayama, Y., Tomita, M. GIW2000

真核生物の翻訳終結部位周辺における情報量と遺伝子の発現量との相関について

遺伝子の翻訳終結のプロセスにおいて終止コドンのみでは翻訳終結シグナルとして十分ではない場合があるらしく、翻訳終結部位周辺には終止コドン以外にもコンセンサスを持った配列が存在することが知られている。そこで私は発現量の多い遺伝子ほど、翻訳終結部位周辺の塩基の偏りも強いのではないか？という仮説をもとに、CAI値で予測される遺伝子の発現量と翻訳終結部位周辺の情報量との関係を調べた。その結果、解析したすべての種で遺伝子の発現量（CAI値）が増えると翻訳終結部位周辺の情報量も増えるという正の相関が見られた。つまり多量に発現する必要のある遺伝子においては、おそらく翻訳終結反応の効率を上げるため、翻訳終結部位周辺のコンセンサスも強いのだと考えられる。

実績
学会ポスター発表：

「真核生物の翻訳終結部位におけるコンセンサスパターンの抽出」小澤陽介、花岡悟史、坂井寛章、斎藤輪太郎、品川　朗、伊藤昌可、柴田一浩、Carninci Piero、今野英明、河合純、福西快文、林崎良英、冨田勝; 第23回日本分子生物学学会年会 3PA-024.

掲載論文：

"Computer analysis of potential stem structures of rRNA operons in various procaryote genomes" Saito, R., Ozawa, Y., Kuzuno, N. and Tomita, M.: Gene, 259:1-2, 217-222 (2000)Abstract

複製方向に対するグアニン塩基の偏りの生成メカニズムに関する進化的考察

複製の過程において、複製フォークをつくり、リーディング鎖、ラギング鎖ではそれぞれが異なる過程で複製していく。従ってその過程でそれぞれ変異の入り方が違ってきて、その結果、GC skewでみられるようにリーディング鎖はグアニン偏り。ラギング鎖はシトシン偏りとなる、と仮定できる。その仮説を進化的に証明する。共通の祖先型細胞をもち進化的に近種であるE.coliとH.infについて、その相同遺伝子を比較してどのような塩基置換が起こっているか、その変化をみる。この結果、共通の祖先型細胞を持つE.coliとH.infの2種が、そこから別々の種として受けてきた突然変異の傾向を知ることができると考えられる。変異の傾向がGC skew でみられる、リーディング鎖はグアニン偏り、ラギング鎖はシトシン偏りとなる傾向を示していることを証明しようとしている。その結果、複製方向に対するミューテーションバイアスは、アミノ酸の機能との関連も考えられ、これについてはこれから解析していきたいと考えている。

実績
掲載論文：

河村優美, 2000."複製方向に対するグアニン塩基の偏りの生成メカニズムに関する進化的考察" 生命と情報 Vol.７

マウスｃDNAにおける二次構造解析

　　真核生物でmRNA上に二次構造が形成される場合、翻訳に影響があることがこれまでの研究によって知られている。また、開始コドン下流に二次構造が形成される場合に翻訳開始を助ける働きをしたり、5'UTRに形成されるとリボソームの進行を止め、翻訳されないことなどが報告されている。本研究は、マウスのcDNAデータやGenBankのデータを用いて、コンピュータプログラムによる二次構造予測を行い、二次構造の形成位置、構造の強さを調べ、二次構造が真核生物の翻訳機構にどう影響を与えるかを探る。これまでの解析から、GC含量が二次構造に与える影響がどの程度であるかがはっきりしなかったため、正確な予測ができなかったのではないかと考えられた。そのため、今回は実際の二次構造と比較して、より正確な予測のための方法論を考察した。

同義語コドン使用の偏りと5'非翻訳領域の保存性の関係のコンピュータ解析

　 1.目的：同義語コドンの使用パターンが、効率よく翻訳を行うための自然選択の結果であることは良く知られている。本研究では、原核生物における Shine-Dalgarno(SD)配列や真核生物におけるKozakのコンセンサス配列の保存性が、同じように翻訳効率を最適化するための自然選択を受けてきたのかどうかを明らかにすることを目的として、9種のバクテリアゲノムとマウスゲノムについて、同義語コドン使用の偏りと5'非翻訳領域の配列保存性の相関についてコンピュータ解析を行った。
2.方法：同義語コドン使用の偏りは各遺伝子について'Codon Adaptation Index (CAI)'を算出することによって数値化した。バクテリアのSD配列の保存性は、各種でSD配列のモチーフが知られており、種ごとにSDモチーフ配列の相補配列と開始コドン上流配列の間の自由エネルギーを計測することで数値化した。Kozakのコンセンサス配列は、増加情報量を計算することで各塩基ポジションでのコンセンサスの強さを数値化した。
3.結果：解析の結果、大腸菌をはじめとする6種の原核生物で、CAI値とSD配列の保存性の間に正の相関が見られた。このことから、CAI値の高い遺伝子はCAI 値の低い遺伝子よりもより保存されたSD配列を持つということが示された。2 種のMycoplasma菌とSynechocystisでは相関は見られなかった。マウスにおいては、特に強く保存される傾向が強いと言われるポジション-3、+4の他、-1でもCAI値と増加情報量に正の相関が見られ、実際にKozakのコンセンサス配列に相当する塩基のコンセンサスが、CAI値が高くなるのに伴って強くなっていることが明らかになった。その他のKozakコンセンサスのポジションでは、CAI値と増加情報量の間に相関は見られなかったが、Kozakコンセンサスに相当する塩基の含量が、CAI値が高くなるのに伴って上昇していることが分かった。これらの結果から、原核生物、真核生物共に、同義語コドン使用の偏りだけでなく、5'非翻訳領域もまた、高発現遺伝子においては高い翻訳効率を維持するために、進化の過程で変異が蓄積せず最適な形で保存されてきたということが結論付けられた。

実績
学会発表：

``Correlation between codon usage bias and conservation of 5'untranslated region.'' Sakai H, Ohkuma Y, Imamura C, Shinagawa A, Itoh M, Shibata K, Carninci P, Konno H, Kawai J, Fukunishi Y, Hayashizaki Y, and Tomita M; The 14th International Mouse Genome Conference, 2000年11月, 成田
``5'非翻訳領域の配列保存性とコドン使用の偏りとの相関について'' 坂井寛章、大熊裕介、今村千秋、品川朗、伊藤昌可、柴田一浩、Carninci Piero、今野英明、河合純、福西快文、林崎良英、冨田勝; 第23回日本分子生物学会年会, 2000年12月, 神戸
``Correlation between sequence conservation of 5'UTR and codon usage bias.'' Sakai H, Ohkuma Y, Imamura C, Shinagawa A, Itoh M, Shibata K, Carninci P, Konno H, Kawai J, Fukunishi Y, Hayashizaki Y, and Tomita M; GIW2000, 2000年12月, 東京

掲載論文：

“Correlation between Shine-Dalgarno sequence conservation and codon usage of bacterial genes" Sakai, H., Imamura, C., Osada, Y., Saito, R., Washio, T. and Tomita, M.: Journal of Molecular Evolution, in press.

オーバーラップ遺伝子の構造とゲノムの進化的距離の関係

複数の遺伝子がコード領域を共有するオーバーラップ遺伝子は、バクテリアゲノムに広く存在する。本研究では、オーバーラップ遺伝子の進化的意義を明らかにすることを目的とし、ゲノムの網羅的解析、近縁な生物ゲノム同士の塩基配列の比較を行った。バクテリアゲノムのオーバーラップ遺伝子は遺伝子末端の突然変異によってできると推測され、近縁な種の遺伝子配列を比較することでこれが直接的に示された。突然変異の起きるメカニズムは、多くの場合遺伝子末端の挿入・欠失であるが、これらの起きる部位は種によって多様であり、進化的系統との相関が見られた。この結果から、オーバーラップ遺伝子は、隣接する遺伝子やゲノムの組換えに伴って起きるランダムな突然変異によって形成され、変異の部位によって異なった頻度で解離・蓄積するというメカニズムで進化してきたと結論づけた。

実績
学会発表：

Evolution2000(4月東京)
Fourth Annual International Conference on Computational Molocular Biology(4B7n 東京)
第2回日本進化学会(10月東京)
第23回日本分子生物学会年会(12月神戸)

Vibrio Cholerae El Tor N16961網羅的解析

　プロテオバクテリアγ亜網に属すグラム陰性のVibrio cholerae El Tor N16961(以後、簡易的にコレラ菌と略称)は２０００年８月に全ゲノム塩基配列が決定された。このゲノムは2961146bpと1072314bpの２本の環状染色体からなり、両方で3885のORF を持つ。必須の細胞機能や病原性、例えば毒素、表面抗原、アドヘシンを担うと認められる遺伝子の大多数は大染色体に存在する。これに対し、小染色体では遺伝子と推測されるものの割合が５９％と大染色体４２％に比べて大きく、プロテオバクテリアγ亜網以外、おそらくはメガプラスミドが起源が遺伝子が多く見付かっている。また小染色体にはプラスミドに典型的に見られる遺伝子捕捉機構(インテグロン構造) が存在することも、小染色体の起源があるプラスミドであったことの裏付けと言えるだろう。そこで本解析では、コレラ菌の２本の染色体に対し全ゲノムワイド的な基礎解析を行った。ここでいう基礎解析とは、GC-skew、CodonUsage、CAI、タンデムリピートなどの事を指す。様々な諸解析を通じ、コレラ菌の特徴を浮き彫りにすると同時に、コドンユーセージを手がかりに外部挿入遺伝子の特定を行うことを第一目標とした。また小染色体のインテグロン領域に注目し、リピート配列の特定を試みた。

実績
掲載論文：

山下智也, 2000."Vibrio　Choｌerae El Tor N16961の網羅的解析" 生命と情報 Vol.７

国際コンソーシアム参加実績、およびその他実績

実績
掲載論文：

"Functional annotation of a full-length mouse cDNA collection." Kawai, J., Saito, R., Kochiwa, H., Suzuki, R., Tomita, M., Washio, T., Hayashizaki, Y. and many others: Nature, 409, 685 - 690 (2001) Abstract
"Casual Analysis of CpG Suppression in the Mycoplasma Genome" Goto, M., Washio, T. and Tomita, M.: Microbial and Comparative Genomics, 5, 51-58 (2000) Abstract
"Characteristic Sequence Pattern in the 5-to 20-bp Upstream Region of Primate Alu Elements" Toda, Y., Saito, R. and Tomita, M.: Journal of Molecular Evolution, 50, 232-237 Abstract

おわりに

現在以下の論文を国際学術誌に投稿中である。

"Correlation between sequence conservation of the 5' untranslated region and codon usge bias in Mus muscuus genes." Sakai H, Washio T, Saito R, Shinagawa A, Itoh M, Shibata K, CarninciP, Konno H, Kawai J, Hayashizaki Y, and Tomita M. in submission

　学部生の育成と共に数多くの結果が既に出てきており、今後数年のうちに更なる成果が期待される。
2001年4月より鶴岡市に「慶應鶴岡タウンキャンパス（TTCK）」を開設し、「IT主導型バイオサイエンス」の世界の拠点となることを目指した「先端生命科学研究所」を新設する。また、来年度から新たに開設される鶴岡新キャンパスに先端生命科学研究所と連携して実施される、バイオキャンプに参加し、実際に遺伝子工学を実験に参加することも可能となる。
国内外で冨田研究室の「遺伝子情報解析プロジェクト」は大きな割合を担いつつあり、今後も積極的に研究活動を続けていきたいと考えている。