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DNA修復酵素

DNA修復は、細胞がそのゲノムを構成するDNAの損傷を特定し、修正するプロセスである。DNA修復酵素は、放射線、紫外線、活性酸素などのDNAを障害する要因に対する暴露により引き起こされるDNAの物理的な損傷箇所を認識し、修復する酵素群である。DNA損傷を修復することで、遺伝情報が失われたり、二本鎖が切断されたり、逆にDNAの架橋などといった異常が恒常化して遺伝子発現に異常を来したり、有糸分裂時の分離不全などのエラーを防止できる。

一細胞あたりのDNA損傷は一日当たり数万から百万か所

紫外線に対する暴露は、DNA分子中にチミンジマーを形成する。ダイマーの蓄積は細胞死とがんを引き起こす。

ヒトの細胞では、通常の代謝活動や放射線などの環境要因によってDNA損傷が起こり、1日に細胞あたり数万個の個々の分子病変が生じる。この数自体の多さに驚くことはなく、ヒトゲノムは30億個の塩基が対になって60億あるので、0.0001%程度に過ぎないし、実際にはこのほとんどがDNA修復機構により修復される。正常な修復過程が破綻すれば、細胞はアポトーシスという死の過程を経て除去されるが、アポトーシスを免れてしまうと、二本鎖切断やDNA架橋(鎖間架橋)など、修復不可能なDNA損傷が生じたまま異常な細胞が生き延び、最終的に悪性腫瘍化につながる可能性がある。DNA損傷の多くは、DNAの構造的変化をもたらし、傷害を受けたDNAがコードする遺伝子を転写して営む細胞の恒常性を変化させてしまうことにつながる可能性や、有糸分裂後の娘細胞に大きな影響を与える可能性がある。細胞機能の恒常性を保つため、DNA修復プロセスは、日々発生する膨大な損傷を修復すべく常に活性化している。

DNA損傷の大部分は、二重らせんの一次構造に影響を与える。つまり、塩基そのものが化学的に修飾されるため、標準的な二重らせんに収まらない化学結合ができたり、大きな分子の付加物により規則正しいらせん構造を乱す可能性がある。真核生物のDNAはスーパーコイル状に巻かれ、ヒストンと呼ばれるパッケージングタンパク質に巻きついており、こうしたエピゲノムの構造もDNA損傷の影響に対して脆弱である。

DNAを損傷するもの

DNAの損傷は、内因性と外因性に大別される。

内因性DNA損傷の原因

通常の代謝副産物から生じる活性酸素種による攻撃(自然突然変異)などの内因性損傷、特に酸化的脱アミノ化の過程。複製エラーも含まれる。

内因性DNA損傷の原因別損傷プロセス

塩基の酸化
例えば活性酸素によりDNAが損傷した際の主要な生成物の1つである8-oxo-7,8-dihydroguanine(8-oxoG)が生成される。
塩基のアルキル化メチル化
7-メチルグアノシン、1-メチルアデニン、6-O-メチルグアニンの生成など。ヒトにおける点突然変異の最多は自然に起こるメチル基 (CH3-) の追加(メチル化)である。たとえば,Cシトシンにメチル基が導入され、続いて脱アミノ反応が起こることでTチミンに変換される。
塩基の加水分解
脱アミノ化、脱プリン化、脱ピリミジン化。
嵩高い付加物の形成
ベンゾ[a]ベンツピレンジオールエポキシド(BPDE)-dG付加物、アリストラクタムI-dA付加物など
DNA複製のエラー
新たに形成されるDNA鎖に誤ったDNA塩基が挿入されたり、DNA塩基が欠失したりしてできる塩基の不一致

minerva-clinic.or.jp/academic/terminololgyofmedicalgenetics/agyou/base-pair/で説明した通り、大きな核酸塩基であるアデニンとグアニンは、プリンと呼ばれる二重リングの化学構造の一種であり、小さな核酸塩基であるシトシンとチミン(およびウラシル)は、ピリミジンと呼ばれる一重リングの化学構造の一種である。ピリミジンとピリミジンの組み合わせは、分子が離れすぎていて水素結合が成立しないため、エネルギー的に不利であり、プリンとプリンの組み合わせは、分子が近すぎて重なり合いの反発が生じるため、エネルギー的に不利である。

シトシンのメチル化、脱アミノ化でチミンが生じることについては以下の構造式を眺めてみてほしい。

DNAを構成する塩基。アデニン、シトシン、グアニン、チミン。プリン塩基とピリミジン塩基。RNAではチミンがウラシルになる。

外因性のDNA損傷

太陽光や人工光源に含まれる紫外線(UV 200-400 nm)、X線やガンマ線を含むその他の放射線、加水分解または熱破壊、毒物、人為的な変異原性化学物質、特にDNAインターカレーター(DNA二重らせんの塩基対間に平行挿入する化合物群)として作用する芳香族化合物、ウイルス等がこれに当たる。

外因性DNA損傷の原因別損傷プロセス

外来物質による損傷は、さまざまな形で現れるため代表的なものを列挙する。

紫外線(UV-B)
隣接するシトシンとチミンが架橋され、ピリミジン二量体が生成される。紫外線によるチミンダイマーにおいてはシクロブタン環が形成される。
紫外線(UV-A)
フリーラジカルを生成することで間接的にDNAを損傷。
放射性崩壊や宇宙線によって生じる電離放射線
DNA鎖の切断を引き起こす。中程度の電離放射線は、修復不可能なDNA損傷を引き起こして、新生物に必要な複製や転写の誤りを引き起こしたり、ウイルスとの相互作用を誘発し、早老やを引き起こす可能性がある。
高温での熱破壊
脱プリン化(DNA骨格からのプリン塩基の消失)および一本鎖切断の割合が増加する。

DNA修復のメカニズム

DNA損傷によってゲノム中の必須情報の完全性とアクセス性が損なわれると、細胞は機能しなくなる。細胞の生存は日々生じるDNA損傷との闘いである。DNAの二重らせん構造に加えられた損傷の種類に応じて、失われた情報を回復するために様々な修復戦略が進化した。可能であれば、細胞はDNAの未修飾の相補鎖または姉妹染色分体を鋳型として、元の情報を復元する。鋳型を利用できない場合、細胞は最後の手段として、トランスレジオン合成(translesion synthesis)と呼ばれるDNA損傷部を無視して進行するDNA複製を行うが、この修復機構はエラーを起こしやすい。

DNAの損傷はらせんの空間配置を変化させ、そのような変化は細胞によって検出される。損傷が特定されると、特定のDNA修復分子が損傷部位またはその近傍に結合し、他の分子を誘導して結合し、実際の修復が行われるように複合体を形成する。

直接的化学的修復 chemical reversal

細胞は、DNAに生じた3種類の損傷を、化学的に反転させることで除去することが知られている。これらのメカニズムでは、4つの塩基のうち1つだけが損傷するため、鋳型を必要としない。このような直接的な逆転機構は、発生した損傷のタイプに特異的であり、ホスホジエステル骨格の切断を伴わない。

ヒトにおける点突然変異の最多は自然に起こるメチル化であり、シトシンCがメチル化され、続いて脱アミノ化されてチミンTになる。ほとんどはグリコシラーゼglycosylasesと呼ばれる酵素により修復される。この過程は DNA 本体を切断するなどの変化もなく完了する。

1本鎖損傷

二重らせんの片方の鎖に欠陥がある場合、もう片方の鎖を鋳型として、損傷した鎖を修正することができる。DNAの対になった2分子のうちの1分子への損傷を修復するために、損傷を受けたヌクレオチドを除去し、損傷のないDNA鎖に見られるヌクレオチドと相補的な損傷のないヌクレオチドと置き換える除去修復機構がいくつか存在する。

塩基除去修復 Base Excision Repair (BER)

損傷を受けた一塩基またはヌクレオチドを除去し、正しい塩基またはヌクレオチドを挿入することによって修復するのが最も一般的である。塩基除去修復では、グリコシラーゼと呼ばれる酵素が塩基とデオキシリボースの間の結合を切断することによって、DNAから損傷した塩基のみをを除去する。APエンドヌクレアーゼと呼ばれる酵素が、AP部位で損傷したDNAの骨格を切断する。その後、DNAポリメラーゼが5′-3’エキソヌクレアーゼ活性を用いて損傷領域を除去し、損傷していない相補鎖を鋳型として新しい鎖を正しく合成する。その後、酵素DNAリガーゼによって切断点のギャップが塞がれる。

ヌクレオチド除去修復(Nucleotide excision repair;NER)

紫外線によるピリミジン二量体のような、かさ高い、ヘリックスを歪める損傷は、通常3段階のプロセスで修復される。まず損傷が認識され、次に12〜24ヌクレオチド長のDNA鎖がエンドヌクレアーゼによって損傷部位の上流と下流の両方で除去され、除去されたDNA領域が再合成される。紫外線照射によりピリミジン二量体が形成されると、隣接するピリミジン塩基間に異常な共有結合が形成される。反応は以下の順で進む。

  1. DNA損傷がタンパクまたはタンパク複合体により認識される。
  2. 転写調節因子IIH, TFIIHが働いて、DNA損傷部位で巻き戻され、分子的な膨らみが生じる。
  3. 損傷部位を含む広範囲がその3’部位と5’部位の両方が切断されて除去される。
  4. DNAポリメラーゼ(ポリメラーゼ・ デルタ とポリメラーゼ・ イプシロン)により正しい塩基が含まれている反対側のDNA鎖がテンプレートとして用いられて、DNAの新たな合成がなされる。
  5. DNAリガーゼが新生部分のDNAをDNA本体に結合する。

ミスマッチ修復(mismatch repair; MMR)

ミスマッチ修復システムは、基本的にすべての細胞に存在する。ミスマッチを検出するタンパクと、エンドヌクレアーゼを呼び出して、新しく合成されたDNA鎖を損傷部位の近くで切断するタンパクからなる。大腸菌では、このタンパク質がMutクラスタンパク質として関与している。MutS、MutL、およびMutHである。ほとんどの真核生物では、MutSの類似体はMSHであり、MutLの類似体はMLHである。MutHはバクテリアにのみ存在する。この後、エキソヌクレアーゼによる損傷領域の除去、DNAポリメラーゼによる再合成、DNAリガーゼによる結合が行われる。

二重鎖切断

二重らせんの両鎖が切断される二重鎖切断は、ゲノムの再配列を引き起こす可能性があり、細胞にとって特に危険な状態である。実際、二本鎖切断が同じ箇所で二本鎖をつなぐ架橋を伴う場合、どちらの鎖も修復機構の鋳型として使うことができないため、細胞は次の分裂時に有糸分裂を完了できず、死ぬか、突然変異を起こすことになる。 二本鎖切断(DSB)の修復機構には、非相同末端接合(NHEJ)、マイクロホモロジー媒介末端接合(MMEJ)、相同組換えHR)の3つが存在する。

非相同末端接合 non-homologous end joining; NHEJ

NHEJでは、補酵素XRCC4と複合体を形成する特殊なDNAリガーゼであるDNAリガーゼIVが直接両末端を結合する。正確な修復を導くために、NHEJは結合するDNA末端の一本鎖末端に存在するマイクロホモロジーという短い相同な配列に依存する。これらのオーバーハングが適合していれば、通常、修復は正確に行われる。NHEJは、修復中に変異を導入することもある。切断部位の損傷したヌクレオチドが失われると欠失につながり、一致しない末端が結合すると挿入や転座が生じる。NHEJは、細胞がDNAを複製する前には、相同組換えによる修復に利用できる鋳型がないため、特に重要である。高等真核生物には「バックアップ」のためにNHEJ経路がある。NHEJは脊椎動物の免疫系でB細胞やT細胞受容体の多様性を生み出すプロセスであるV(D)J組み換え中に引き起こされるヘアピンキャップ付きの二本鎖切断を結合するのに必要である。

Microhomology-mediated end joining;MMEJ

MMEJは二本鎖切断の両側でMRE11ヌクレアーゼによる短距離末端切除から始まり、マイクロホモロジー領域が現れる。さらに次のステップでは、ポリ(ADP-リボース)ポリメラーゼ1(PARP1)が必要となる。マイクロホモロジー領域のペアリングに続いて、フラップ構造特異的エンドヌクレアーゼ1(FEN1)が働き、はみ出したフラップが取り除かれる。続いて、XRCC1-LIG3がDNA末端を結紮する部位に動員され、無傷のDNAが得られる。MMEJは常に欠失を伴うので、MMEJはDNA修復のための変異原性経路である。

Homologous recombination;HR 相同組換え

HRでは、切断を修復するための鋳型となる同一またはほぼ同一の配列が存在することが必要である。この修復過程を担う酵素装置は、減数分裂の際の染色体交叉を担う装置とほぼ同じである。この経路では、姉妹染色分体(DNA複製後のG2で利用可能)または相同染色体を鋳型として、損傷した染色体を修復することができる。一本鎖切断や未修復の傷口を越えて合成しようとする複製装置によるDSBは、複製フォークの崩壊を引き起こし、通常、組換えによって修復される。

トランスレシオン合成 Translesion synthesis

トランスレシオン合成(TLS)は、DNA複製機構がチミンダイマーやAPサイトなどのDNA損傷を越えて複製することを可能にするDNA損傷修復プロセスである。これは通常のDNAポリメラーゼを、損傷を受けたヌクレオチドの反対側の塩基の挿入を容易にする、しばしば大きな活性サイトを持つ特殊なトランスレシオンポリメラーゼ(YポリメラーゼファミリーのDNAポリメラーゼIVまたはV)と交換することが関係している。ポリメラーゼの切り替えは、特に複製処理因子PCNAの翻訳後修飾によって媒介されると考えられている。トランスレシオン合成ポリメラーゼは、通常のポリメラーゼと比較して、損傷のない鋳型に対する忠実度が低く、誤った塩基を挿入する傾向が高い。

 

この記事の筆者:仲田洋美(医師)

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