バイオインフォマティクス 中部大学2024年秋学期

DNAの構造を調べる

バイオインフォマティクスとは

バイオインフォマティクスは生物の情報を扱う学問です。

生物の情報って

生物学の研究では様々な情報が得られます。

• 生き物の大きさ(単位cmとかmmとかときにはmとかμmとか)
• 個体数 (群れの数とか、生息数とか、子供の数とか、生存数とか)
• 生理学的な測定値 (血圧とか、呼吸数とか、光合成速度とか、運動速度とか)

どんなものでも興味を持つ人がいて、測定する方法があれば情報として扱うことができます。

しかし、通常バイオインフォマティクスと言ったときにはこうした測定結果を処理することは含みません。 なぜなら、それらの情報は多くの場合コンピュータの力を借りなくてもいいぐらいの十分小さいデータだからです(もちろん電卓は必要になるでしょう)。

実際にバイオインフォマティクスの対象となる情報

バイオインフォマティクスの力が必要とされるのはもっと大きなデータ、少なくとも100を超えて大きいものは億の単位ぐらいのデータです。

• DNAの配列 (最も小さい生き物と言われるマイコプラズマで0.6 Mbp、大腸菌で4.6 Mbp、出芽酵母 12.1 Mbp、イネ 480 Mbp、ヒト 3 Gbp)
• 遺伝子発現解析 (数万の遺伝子それぞれの発現量)
• 塩基配列の構造決定 (新聞紙1万枚を100文字ずつに分けたジグソーパズルの組み立て)

これらの情報を処理するにはコンピュータの力が必要です。 コンピュータに仕事を命令するためにはコンピュータのことを知らないといけません。 それが情報学(インフォマティクス)です。

ですが、処理する対象となる情報は生物(バイオ)に由来することを忘れてはうまくいきません。 生物学の問題を処理するという目的に向かわないと役に立ちません。

DNAの化学

単量体

• DNAはdeoxyribonucleic acid(デオキシリボ核酸)の略
• デオキシリボ核酸は塩基、糖(デオキシリボース)、リン酸からなる。
• デオキシリボ核酸には4種類ある。アデニン(adenine)、グアニン(guanine)、チミン(tymine)、シトシン(cytosine)である。それぞれ頭文字からAGTCと略する。

相補性

アデニンとチミン、グアニンとシトシンは水素結合で結合する。

DNAではこの性質のためにAとT、GとCの量はどのような生物でも等しくなる(シャルガフの法則)。

二重らせん

• デオキシリボ核酸の糖とリン酸がホスホジエステル結合して多量体となり、DNAとなる。
• 1953年にワトソンとクリックによってDNAの二重らせんモデルが提唱された。

DNAの複製

DNAポリメラーゼの特徴

• 一本鎖DNAを鋳型としてDNAの複製を行う。
• dNTPを基質として二本鎖DNAの合成をおこなう。先行する二本鎖の3'側にdNTPの5'を結合させる。
• dNTPを取り込むとピロリン酸を放出する。
• 複製の開始はできない。伸長を行う。

3'->5'エキソヌクレアーゼ活性

3'側の塩基を除去する活性。間違った塩基を取り込むとそれを除去する。DNA合成の正確性をあげている。

シークエンス

DNAの構造のこと。 DNAはACGTの4種類の塩基からなる多量体で、塩基の並び順をシークエンス(sequence)と呼ぶ。 塩基の並び順を調べることもシークエンスと呼ぶ

サンガー法

• ddNTP (ジデオキシリボヌクレオチド三リン酸)を使用する。
• 初期には4種類のddNTPを別々の反応で用いて、電気泳動を行っていた。
• 近年のキャピラリー(毛細管)電気泳動を用いるときには、4種類のddNTPを異なる蛍光色素で標識しておいて同時に反応を行う。

キャピラリー電気泳動

ポリアクリルアミド電気泳動

ダイターミネーター(dye terminator)によるシークエンス反応

現在一般的なシークエンスのデータ

一般的なシーケンサーはABIFというファイル形式(拡張子ab1)でデータを出力する。 ab1は多くのソフトで開くことができるが、ここではFinchTV(http://www.geospiza.com/ftvdlinfo.html)を紹介する。 ここをクリックしてFinchTV.zipをダウンロードし、展開する(TVはTrace Viewerの意でTeleVisionではない)。 ここをクリックしてサンプル(B10_1.ab1)をダウンロードする。 FinchTVを起動してB10_1.ab1を開いてみよ。

Windowsのセキュリティの設定などでFinchTVが起動できない場合は、こちら (mitsucal.tsbio.info)を使ってください。 ページを開いたら、ab1ファイルを送信して、波形を表示させる