DNA損傷はどのように修復されるのでしょうか?

簡単に言えば、DNA損傷の修復とは、多くの種類の酵素の作用により細胞内の損傷したDNAを修復する現象です。この技術が成功すれば、腫瘍の治療や老化防止にタイムリーに活用できます。人類に多くの利益をもたらすだけでなく、遺伝子変異のメカニズムの理解にも役立ちます。以下は、DNA損傷の修復方法についての詳細な紹介です。

修理方法

光による復活

フォトリバーサルとも呼ばれます。これは、光回復酵素が可視光（波長3000～6000オングストローム）の照射下で二量体を認識して作用し、光によって提供されるエネルギーを使用してシクロブチリル環を開く修復プロセスです（図2）。光再活性化酵素は、細菌、酵母、原生動物、藻類、カエル、鳥類、有袋類、高等哺乳類、そして人間のリンパ球と皮膚線維芽細胞で発見されています。この修復機能は一般的ではあるものの、主に下等生物が用いる修復方法であり、生物が進化するにつれてその役割は弱まってきています。

光再活性化のプロセスは、PR 酵素が可視光を吸収するのではなく、PR 酵素がまず DNA 鎖上のチミン二量体と結合して複合体を形成することです。この複合体は特定の方法で可視光を吸収し、光エネルギーを使用してチミン二量体間の CC 結合を切断します。チミン二量体はモノマーになり、PR 酵素は DNA から解離します。

切除修復

切断と修復とも呼ばれます。これは大腸菌で最初に発見され、一連の複雑な酵素による DNA 修復および複製プロセスで構成され、主に以下の段階が含まれます。エンドヌクレアーゼが DNA 損傷部位を認識し、5' 末端を切断します。次に、エキソヌクレアーゼの作用により、5' 末端から 3' 末端に向かって損傷が除去されます。次に、DNA ポリメラーゼの作用により、損傷部位に対応する相補鎖をテンプレートとして使用して新しい一本鎖 DNA 断片が合成され、切除後に残ったギャップが埋められます。最後に、リガーゼの作用により、新しく合成された一本鎖断片がホスホジエステル鎖で元の一本鎖断片に接続され、修復プロセスが完了します (図 3)。

除去修復はピリミジン二量体の修復に限らず、化学物質などによって引き起こされる他の種類の損傷も修復できます。除去修復は、除去の対象に基づいて、塩基除去修復とヌクレオチド除去修復の 2 つのカテゴリに分類されます。塩基除去修復は、グリコシラーゼが最初に損傷した塩基を認識して除去し、DNA一本鎖上にプリンまたはピリミジンのない空孔を形成するプロセスです。この空孔塩基位置は、2つの方法で埋めることができます。1つは、挿入酵素の作用下で空孔位置に正しい塩基を挿入することです。もう1つは、ヌクレアーゼの触媒作用下で空孔の5'末端でDNA鎖を切断し、それによって上記の一連の除去修復プロセスをトリガーすることです。さまざまな種類のアルカリによる損傷を認識するための特定のグリコシラーゼが存在します。異なるエンドヌクレアーゼは、異なるタイプの損傷を認識する際の相対的な特異性も持っています。

除去修復機能は原核生物と真核生物に広く存在し、ヒトでも主な修復方法となっています。げっ歯類（ハムスターやマウスなど）には、除去修復機能が本質的に欠如しています。

1978 年、アメリカの学者 J.L. マークスは、真核生物と原核生物ではクロマチン構造が異なるため、除去修復プロセスが異なることを発見しました。真核生物の DNA 分子は原核生物の DNA 分子のように裸ではなく、ヒストンに巻き付いて数珠状のヌクレオソーム構造を形成します。真核生物におけるピリミジン二量体の除去は、2 つの段階に分かれています。1 つは急速除去段階で、これは約 2 ～ 3 時間かかり、主にヒストンに結合していない DNA の損傷部分を切除します。もう 1 つは緩慢除去段階で、これは少なくとも 35 時間続き、損傷を認識するための何らかの制御因子を必要とします。これにより、DNA の損傷部分がヌクレオソームから露出し、その後、一連の手順を実行して除去修復を完了します。修復された DNA 分子はヒストンに巻き付けられ、ヌクレオソームが再形成されます。

組み換え修復

組み換え修復は、DNA分子の半保存的複製から始まります。複製が正常に進行しないため、ピリミジン二量体に対応する位置に空孔が発生します。大腸菌では、このDNA損傷が組み換えタンパク質の生成を誘導することが確認されています。組み換えタンパク質の作用により、親鎖と娘鎖が組み換えられます。組み換え後、元の親鎖のギャップは、DNAポリメラーゼの作用により埋められ、反対側の娘鎖をテンプレートとして使用して一本鎖DNA断片を合成します。最後に、リガーゼの作用により、新しい鎖と古い鎖がホスホジエステル結合で接続され、修復プロセスが完了します。組み換え修復はげっ歯類における主な修復方法でもあります。組み換え修復と除去修復の最大の違いは、組み換え修復では損傷した部分を親 DNA 分子からすぐに除去する必要がなく、DNA 複製が継続することを保証できることです。元の親鎖に残っている損傷部分は、次の細胞周期で除去修復によって修復できます。

組み換え修復の主な手順は次のとおりです。

1.コピー

TT やその他の構造的損傷を含む DNA は正常に複製できますが、損傷部位に複製されると、娘 DNA 鎖の損傷部位に対応する位置に切断が生じ、新しく合成された娘鎖は損傷していない DNA 鎖よりも短くなります。

2.再編

損傷のない親鎖は切断された娘鎖と再結合し、切断部分は親鎖のヌクレオチド断片によって埋められます。

3.再合成

組み換え後、親鎖のギャップは DNA ポリメラーゼの作用によって核酸断片に合成され、その後、新しい断片がリガーゼによって古い鎖に接続され、組み換え修復が完了します。

組み換え修復では親 DNA から二量体は除去されません。 2 回目の複製では、親鎖に残っている二量体が依然として正常な複製を妨げます。損傷部位を複製する際に生じた切り込みは、同じ組み換えプロセスによって修復する必要があります。DNA の複製が続くと、数世代後に二量体が除去されることはありませんが、損傷した DNA 鎖は徐々に「希釈」され、最終的には正常な生理機能に影響を与えることなく修復されます。