基底切除修復

DNAグリコシラーゼは、損傷部位の初期認識を担っています。図に示すように、損傷した塩基を二重らせんから反転させ、損傷した塩基のN-グリコシド結合を切断してAP部位を残します。グリコシラーゼには、単機能型と二機能型の2種類があります。単機能型グリコシラーゼはグリコシラーゼ活性のみを持ち、二機能型グリコシラーゼはAPリアーゼ活性も持ちます。したがって、二機能型グリコシラーゼは、 APエンドヌクレアーゼを必要とせずに、塩基損傷を一本鎖切断に変換できます。グリコシラーゼ-リアーゼによるAP部位のβ脱離により、5'リン酸に隣接する3'α,β-不飽和アルデヒドが生成されますが、これはAPエンドヌクレアーゼ切断産物とは異なります。^{[ 5 ]} 一部のグリコシラーゼリアーゼはさらにδ脱離を行い、3'アルデヒドを3'リン酸に変換する。さまざまな損傷塩基を認識するように、多種多様なグリコシラーゼが進化してきた。DNAグリコシラーゼの例としては、8-オキソグアニンを認識するOgg1、3-メチルアデニンを認識するMPG、 DNAからウラシルを除去するUNGなどがある。

AP エンドヌクレアーゼはAP 部位を切断し、5' デオキシリボースリン酸 (dRP) に隣接する 3' ヒドロキシル基を生成します。 AP エンドヌクレアーゼは、祖先の細菌 AP エンドヌクレアーゼであるエンドヌクレアーゼ IVとエキソヌクレアーゼ IIIとの相同性に基づいて 2 つのファミリーに分けられます。^{[ 6 ]} 多くの真核生物は両方のファミリーのメンバーを持っており、酵母Saccharomyces cerevisiaeではApn1が EndoIV の相同体であり、Apn2は ExoIII に関連しています。ヒトでは、2 つの AP エンドヌクレアーゼ、APE1とAPE2が同定されています。^{[ 7 ]}これは ExoIII ファミリーのメンバーです。

連結が起こるためには、DNA鎖切断の3'末端にヒドロキシル基、 5'末端にリン酸基がなければなりません。ヒトでは、ポリヌクレオチドキナーゼホスファターゼ（PNKP）がBER中にこれらの末端の形成を促進します。このタンパク質は、5'ヒドロキシル末端をリン酸化するキナーゼドメインと、3'末端からリン酸基を除去するホスファターゼドメインを持っています。これらの活性が合わさって、末端が損傷した一本鎖切断を連結に適した状態にします。APエンドヌクレアーゼも3'末端処理に関与しています。AP部位を開くことに加えて、3'ホスホジエステラーゼ活性を持ち、リン酸基、ホスホグリコール酸基、アルデヒド基など、さまざまな3'損傷を除去することができます。DNAポリメラーゼは伸長するために3'ヒドロキシル基を必要とするため、DNA合成を開始する前に3'末端処理が行われなければなりません。

Pol β は、ショートパッチ BER を触媒する主要なヒトポリメラーゼであり、Pol λは Pol βが存在しない場合にそれを補うことができる。^{[ 8 ]} これらのポリメラーゼはPol Xファミリーのメンバーであり、通常は単一のヌクレオチドのみを挿入する。ポリメラーゼ活性に加えて、これらの酵素は、AP エンドヌクレアーゼ切断によって残された 5' dRP を除去するリアーゼドメインを持っている。ロングパッチ BER では、DNA 合成は、 DNA 複製を実行するのと同じポリメラーゼである、プロセス因子PCNAとともにpol δとpol εによって媒介されると考えられている。これらのポリメラーゼは置換合成を実行する。つまり、下流の 5' DNA 末端が「置換」されてフラップが形成される（上の図を参照）。Pol β もロングパッチ置換合成を実行できるため、どちらの BER 経路にも参加できる。^{[ 9 ]} ロングパッチ合成では、通常 2〜10 個の新しいヌクレオチドが挿入される。

FEN1は、ロングパッチBER中に生成される5'フラップを除去します。このエンドヌクレアーゼは、1ヌクレオチドの3'フラップに隣接する長い5'フラップに対して強い選択性を示します。^{[ 10 ]} FEN1の酵母ホモログはRAD27です。FEN1は、ロングパッチBERにおける役割に加えて、ラギング鎖DNA複製における重要なステップである岡崎フラグメント処理中に、同様の構造を持つフラップを切断します。

DNAリガーゼIIIは補因子XRCC1とともに、ヒトのショートパッチBERにおけるニックシーリングステップを触媒する。^{[ 11 ] [ 12 ]} DNAリガーゼIはロングパッチBERにおける切断を連結する。^{[ 13 ]}

MBD4（メチルCpG結合ドメインタンパク質4）は、塩基除去修復の初期段階で用いられるグリコシラーゼです。MBD4タンパク質は、完全にメチル化されたCpG部位と、その部位の変異したDNA塩基に優先的に結合します。これらの変異した塩基は、シトシンからウラシルへの頻繁な加水分解（図を参照）と5-メチルシトシンからチミンへの加水分解によって生じ、G:UおよびG:T塩基対が生成されます。^{[ 16 ]} これらの塩基対の不適切なウラシルまたはチミンがDNA複製前に除去されない場合、遷移変異を引き起こします。MBD4は、CpG部位内のグアニン（G）と対になったTおよびUの除去を特異的に触媒します。^{[ 17 ]}これは重要な修復機能です。なぜなら、ヒトの癌における遺伝子内単一塩基対変異 の約1/3はCpGジヌクレオチドで発生し、G:CからA:Tへの遷移の結果だからです。^{[ 17 ] [ 18 ]} これらの遷移は、ヒトの癌で最も頻繁に発生する変異を構成します。たとえば、大腸癌における腫瘍抑制遺伝子p53の体細胞変異の約50%は、CpG部位内のG:CからA:Tへの遷移です。^{[ 17 ]}したがって、MBD4の発現の低下は、発癌性変異 の増加を引き起こす可能性があります。

MBD4のプロモーター領域のメチル化により、ほとんどすべての大腸腫瘍でMBD4の発現が低下しています。^{[ 19 ]} また、大腸がんの約4%では、MBD4の変異によりMBD4が欠損しています。^{[ 20 ]}

大腸の腫瘍性増殖（腺腫および大腸癌）を取り囲む組織学的に正常な領域の大部分も、大腸腫瘍を患ったことのない個人の組織学的に正常な組織と比較して、MBD4 mRNAの発現が低下している（領域欠損）。^{[ 19 ]}この発見は、MBD4のエピジェネティックサイレンシングが大腸癌発生の初期段階であることを示唆している。

評価された中国人集団では、MBD4 Glu346Lys多型は子宮頸がんのリスクを約50%低下させることと関連しており、MBD4の変化ががんにおいて重要である可能性を示唆している。^{[ 21 ]}

NEIL1 は特定の酸化損傷を受けた塩基を認識（標的）して除去し、 β,δ 脱離によってア塩基部位を切断して 3' および 5' リン酸末端を残します。NEIL1 は、酸化ピリミジン、ホルムアミドピリミジン、メチル基で酸化されたチミン残基、およびチミングリコールの両方の立体異性体を認識します。^{[ 22 ]} ヒト NEIL1 の最適な基質は、8-oxoGのさらなる酸化生成物であるヒダントイン病変、グアニジノヒダントイン、およびスピロイミノジヒダントインであるようです。NEIL1 は、バブル DNA 構造やフォーク DNA 構造だけでなく、一本鎖 DNA からも病変を除去することができます。 NEIL1の欠損は、8-オキソ-Gua:Cペアの部位での突然変異の増加を引き起こし、ほとんどの突然変異はG:CからT:Aへの転位である。^{[ 23 ]}

2004年の研究では、原発性胃癌の46%でNEIL1 mRNAの発現が低下していることが判明したが、その低下のメカニズムは不明であった。^{[ 24 ]} また、この研究では、胃癌の4%でNEIL1に突然変異が見られることも判明した。著者らは、NEIL1の発現低下や突然変異に起因するNEIL1活性の低下が、胃癌発生に関与していることが多いと示唆した。

20人の患者の頭頸部扁平上皮癌（HNSCC）組織と5人の非癌患者の頭頸部粘膜サンプルで、145個のDNA修復遺伝子の異常プロモーターメチル化のスクリーニングが行われた。^{[ 25 ]} このスクリーニングにより、NEIL1は著しく増加した過剰メチル化を示し、メチル化頻度が最も有意に異なっていた。さらに、過剰メチル化はNEIL1 mRNA発現の減少に対応していた。135個の腫瘍組織と38個の正常組織を用いたさらなる研究でも、HNSCC組織サンプルの71%でNEIL1プロモーターメチル化の上昇が認められた。^{[ 25 ]}

非小細胞肺癌（NSCLC）腫瘍で8つのDNA修復遺伝子を評価したところ、42%がNEIL1プロモーター領域で過剰メチル化されていた。^{[ 26 ]}これは、検査した8つのDNA修復遺伝子の中で最も頻繁に見られたDNA修復異常であった。NEIL1は、大腸癌 でプロモーター領域が過剰メチル化されていることが判明した6つのDNA修復遺伝子の1つでもあった。^{[ 27 ]}