ゲノムDNA損傷を解決する方法

DNA損傷の修復機構:加齢に伴う疾患や腫瘍形成の予防に向けて


DNA損傷の修復機構:

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I.直接消去 b)ヌクレオチド除去修復(NER)
II.ミスマッチ修復(MMR) a)非相同末端結合(NHEJ)(NHEJ)
III.一本鎖切断(SSB)の修復 b)マイクロホモロジー媒介末端結合(MMEJ)
IV.二本鎖切断(DSB)の修復 c)相同組換え(HR)
a)塩基除去修復(BER) DNA損傷修復機構が機能しなくなったら?
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修復されていないDNA損傷は、突然変異誘発や細胞死を引き起こします。筋細胞や神経細胞にDNA損傷が蓄積すると、変性疾患を引き起こす可能性があります(1)。毎日、細胞は様々なDNA損傷因子に曝されています(2)。DNA修復の主な機構は一体どのようなものでしょうか?(図1)。

図1.DNA損傷特異的修復経路の概要応答機構:直接消去、MMR(MisMatch Repair;ミスマッチ修復)、BER(Base Excision Repair;塩基除去修復)、NER(Nucleotide Excision Repair;ヌクレオチド除去修復)、HR(Homologous Recombination;相同組換え)、MMEJ(Microhomology-Mediated End Joining;マイクロホモロジー媒介末端結合)、NHEJ(Non-Homologous End Joining;非相同末端結合)。

DNA損傷の修復機構

細胞は、DNA損傷部位を認識してマークし、DNA損傷応答のキープレイヤーを誘引します。細胞周期チェックポイントの活性化と細胞周期停止は、修復機構が利用可能な時間を引き伸ばします(図2)。DNA修復は、細胞周期のいくつかの段階で起こり得ますが、細胞は、ほとんどがG1/S期とG2/M期で停止します。複製エラーにより損傷が発生した場合は、S期以降の有糸分裂でも停止が発生します。

図2.分子レベルでのDNA修復機構

I.直接消去

ノーベル賞を受賞したAziz Sancar氏は、大腸菌の酵素フォトリアーゼを初めて発見しました(3)。紫外線曝露に反応し、2つの隣接するピリミジン残基が共有結合を形成し、結果としてピリミジン二量体(Py-Py)が生じます。フォトリアーゼは、300~500nmの波長で活性化されます。この酵素は、ホスホジエステル結合を壊すことなく、サブナノ秒以内にPy-Py二量体の共有結合を切断する能力を持っています(4)。現在では、原核生物でも真核生物でも直接消去が修復機構であることがわかっていますが、ヒトはこれに当たらず、NER(ヌクレオチド除去修復)が用いられます(図2;I)。

II.ミスマッチ修復(MMR)

MMRは、Paul Modrich氏(2015年ノーベル賞受賞)による大きな発見の一つです。これは、複製の過程で親のDNA鎖と新しく合成された「娘」鎖を識別する細胞の能力に基づいています。バクテリアでは、メチル化は親鎖のみに備わるものであり、DNAテンプレートを特定し、「娘」鎖のミスマッチを検索するための校正システムのマーカーとして機能します。真核生物では、メチル化のエビデンスはなく、遅行鎖と先行鎖の両方で複製中に起こる損傷は、校正システムのリクルートに役割を果たしています。2つの二量体、MutSとMutL(大腸菌ではMutHも)のオーケストレーションされた作用は、「娘」鎖のミスマッチ塩基の認識につながり、ミスマッチ塩基から1kbまでの特定の部位に切り込みを作ります。エキソヌクレアーゼは、切込みからミスマッチ部位までのDNA領域を除去し、DNAポリメラーゼd(原核生物ではポリメラーゼIII)が最終的に欠損部を再合成できるようにします(図2;II)。

III.一本鎖切断(SSB)の修復

一本鎖切断が起こると、損傷側はまずATR(Ataxia Telangiectasia and Rad3-related;毛細血管拡張性運動失調症およびRad3関連タンパク質)とRPA(Replication Protein A;複製タンパク質A)によって結合され、マークされます。ATRは自己リン酸化により活性化し、ATRIP(ATR Interacting Protein;ATR結合タンパク質)と二量体を形成し、次いで、9-1-1-1複合体(Rad9Hus1Rad1からなる)をSSB側にリクルートします(5)。ATRは、Chk1(Ch eckpoint K inase 1;チェックポイントキナーゼ1)をリン酸化し、これが最終的にはCdc25の阻害を介して細胞周期の停止を引き起こします(6)。その後、SSBは、以下に概説する2つの代替方法で解決することができます:

a)塩基除去修復(BER)

BERは、Tomas Lindahl氏によって最初に記述され、主にシングルヌクレオチド損傷に応答して発生します(7)。グリコシラーゼは、各塩基対の状態を評価するために、各DNA鎖の塩基に沿って移動し、塩基を反転させます。欠陥塩基が検出されると、それが除去され、APエンドヌクレアーゼがホスホジエステルバックボーンを切断します。次いで、DNAポリメラーゼが正しいヌクレオチドを充填します。この修復機構はまた、脱プリン化(脱落したプリン塩基)を修正するためにも用いられることがあり、そうしてグリコシラーゼの必要性を排除するのです(図2;IIIa)。

b)ヌクレオチド除去修復(NER)

ヘテロ二量体DDB(DNA Damage-Binding;DNA損傷結合)は、より大きなDNA損傷(例えば、ピリミジン二量体化)の認識に関与すると言われています。これはコアヒストンH2A、H3、H4、ならびにXPCのユビキチン化に関与しています。この結果、NERの活性化が起こり、損傷したDNA領域の周囲の12~24ヌクレオチドの除去が始まります。次いで、RFC(Replication Factor C;複製因子 C)とPCNA(Proliferating Cell Nuclear Antigen;増殖細胞核抗原)がDNAに結合し、これによりDNAポリメラーゼ(d、e、またはk)がその隙間を埋められるようにします(図2;IIIb)。

IV.二本鎖切断(DSB)の修復

ATM(Ataxia-Telangiectasia-Mutated;毛細血管拡張性運動失調症変異タンパク質)は、DSBによるDNA損傷応答の鍵を握っています。ATMの不活性型は通常、多量体として存在し、これは、DNA損傷時の自己リン酸化と活性化により解離します(5)。ATMは次いでDSB部位にリクルートされ、そこでH2AXヒストン変異体をリン酸化します。H2AXのgH2AXへのリン酸化の応答は迅速で、それゆえ、優れたDNA損傷マーカーとして機能します。また、ATMはリン酸化を介してChk2(Checkpoint Kinase 2;チェックポイントキナーゼ2)および/またはp53を活性化します。その結果、Cdc25の阻害が起こって細胞周期の停止につながり、その後、DNA損傷の修復またはアポトーシスに至るのです。細胞周期の中でいつDSBが発生するかに応じて、以下の経路のいずれかがその修復に使用されます。

a)非相同末端結合(NHEJ)

Kuヘテロ二量体(Ku70Ku80)は、DSB側に結合し、NHEJ因子のためにリング状のハブを形成します(8)。Kuは、配列に関係なくDNAに結合し、平滑末端だけでなく、5'または3'末端オーバーハングでも発生する場合があります。それは、別のPI3K関連キナーゼであるDNA-PKcsをリクルートします。ヌクレアーゼArtemisのリクルートとリン酸化の後、一本鎖のオーバーハングが除去され、両端がリガーゼIV、XRCC4XLFによって結合します。NHEJは、通常、損傷領域の欠損をもたらすので、非保存的なDNA修復経路です(図2;IVa)。

b)マイクロホモロジー媒介末端結合(MMEJ)

MMEJの間、DSBの片側にマイクロホモロジーの領域が特定され、それに応じて一本鎖オーバーハングが整列されます。DNAポリメラーゼqは、マイクロホモロジーの整列領域のアニーリングとライゲーションを助けます。ヌクレアーゼFen1(フラップ・エンドヌクレアーゼ1)は、一本鎖DNAフラップを除去し、DNAポリメラーゼqがその隙間を埋められるようにします。この修復経路は、常に短末端切除を伴い、これはDNA鎖内の欠失をもたらし、突然変異を引き起こします(図2;IVb)。

c)相同組換え(HR)

HRは、通常G2で発生し、他の2つのDSB修復経路よりもエラーが発生しにくくなっています。HRは、は、姉妹染色体の配列をテンプレートとして使用します。まず、MRN複合体(Mre11、Rad50、Nbs1)が切断の片側に結合します。MRNとSae2は次に、DSBの周囲の5'末端をチョッピングすることで、短い3'末端オーバーハングを作製します。RPAとRad51は一本鎖を被覆し、核タンパク質フィラメントを形成します。このフィラメントは、相同領域を見つけると、「姉妹」染色分体の無傷な二本鎖DNAに侵入します。その後、RFC、PCNA、およびDNAポリメラーゼ(d、e、またはa)は、鎖の侵入側に結合し、無傷の「姉妹」染色分体の鎖を「テンプレート」として使用して欠損領域を合成します(図2;IVc)。

DNA損傷修復機構が機能しなくなったら?

DNA損傷の蓄積は、一般的にがんまたは変性疾患に関連しており、通常、特定の細胞型や器官に影響を与えます。一方、遺伝的障害の結果として、1つ以上のDNA修復タンパク質が機能しないと、すべての種類の細胞において同時にDNA損傷修復が損なわれます。 例えば、色素性乾皮症、コケイン症候群、またはトリコチオジストロフィーのような遺伝性疾患は、ヌクレオチド除去経路(NER)の欠陥を示します(9, 10)。NERは一般的に、一本鎖切断や、主にUV-Bによって引き起こされるピリミジン二量体の解決に関与しています。そのような患者は光感受性が高く、皮膚がんを発症しやすい傾向にあります。

別の遺伝性疾患の例としてファンコニ貧血が挙げられ、これは、相同組換え(HR)に関与するいくつかのタンパク質が影響を受ける可能性があります。症状としては、発達異常や骨髄不全などです。

さらに重症なのは、毛細血管拡張性運動失調症やセッケル症候群を引き起こすATMやATRの突然変異です。これらは、成長障害、神経変性、小頭症、高いがんリスクに関連しています。 DNA損傷とその修復過程についてはまだ多くの疑問があり、DNA損傷の突然変異や異常に対する将来の治療法を見つける上で非常に重要となります(表1)。

DNA損傷修復マーカー


参考文献

1. Stein and Toiber (2017) “DNA damage and neurodegeneration: the unusual suspect”.

2. Lindahl and Barnes (2000) “Repair of endogenous DNA damage“.

3. Sancar and Rupert (1978) “Cloning of the phr gene and amplification of photolyase in Escherichia coli”.

4. Kao et al. (2005) “Direct observation of thymine dimer repair in DNA by photolyase”

5. Qiu et al. (2018) “ATR/CHK1 inhibitors and cancer therapy”.

6. Awasthi et al. (2015) “ATM and ATR signaling at a glance”.

7. Lindahl (2012) “My Journey to DNA Repair”

8. Frit et al (2019) “Plugged into the Ku-DNA hub: The NHEJ network”

9. Menck and Munford (2014) “DNA repair diseases: What do they tell us about cancer and aging?”

10. Torgovnick and Schumacher (2015) “DNA repair mechanisms in cancer development and therapy”

Blog

Posted:
15 October, 2019

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