DNAの架橋

遺伝学において、DNAの架橋とは、様々な外因性または内因性の因子がDNAの2つのヌクレオチドと反応し、それらの間に共有結合を形成することによって生じる現象である。この架橋は、同一鎖内（鎖内）または二本鎖DNAの反対側の鎖間（鎖間）で起こり得る。これらの付加物は、DNA複製や転写などの細胞代謝を阻害し、細胞死を引き起こす。しかしながら、これらの架橋は、切除または組換え経路によって修復される可能性がある。

DNA架橋は、化学療法や癌細胞のアポトーシスを標的とする治療^{[ 1 ]}、およびタンパク質がDNAとどのように相互作用するかを理解する上でも有用である。

多くの特徴的な架橋剤は、同一分子内に2つの独立した反応性基を持ち、それぞれがDNAのヌクレオチド残基と結合することができる。これらの架橋剤は、その由来に基づいて外因性または内因性に分類される。外因性架橋剤は、医薬品、タバコの煙、自動車の排気ガスなど、環境曝露に由来する天然および合成の化学物質や化合物である。内因性架橋剤は、細胞または生物体内の細胞経路または生化学経路から導入される化合物および代謝物である。

架橋されたDNAは、ヌクレオチド除去修復（NER）経路、相同組換え、および塩基除去修復（BER）経路の酵素やその他の因子の組み合わせによって細胞内で修復されます。真核生物で鎖間架橋を修復するには、NERの3'フラップエンドヌクレアーゼであるXPF-ERCC1が架橋DNAにリクルートされ、架橋部位で3'鎖を切断することでDNAの「フック解除」を助けます。次に、5'鎖がXPF-ERCC1または別のエンドヌクレアーゼによって切断され、二本鎖切断（DSB）が形成され、これは相同組換え経路によって修復されます。^{[ 17 ]}

鎖間架橋の修復には、ヌクレオチド除去修復と相同組換え修復の両方が必要である。^{[ 18 ]} ウェルナー症候群（WRN）ヘリカーゼとBRCA1タンパク質は、DNA鎖間架橋を修復する細胞応答の一部として協調して働く。^{[ 18 ]}試験管内では、BRCA1はWRNと直接相互作用してWRNヘリカーゼ活性を刺激する。^{[ 18 ]}

DNA架橋は一般的に、DNAの2本の鎖から重複する配列情報の喪失を引き起こします。そのため、損傷を正確に修復するには、同じ細胞内の損傷を受けていない相同染色体から失われた情報を回収する必要があります。情報の回収は、先行する複製ラウンドで生成された姉妹染色分体との対合によって起こります。二倍体細胞では、特に減数分裂中に起こるように、非姉妹相同染色体との対合によっても回収が起こり得ます。 対合が起こると、相同組換えによって架橋が除去され、損傷した染色体に正しい情報が導入されます。

DNAの糖リン酸骨格中のデオキシリボース糖とそれに結合した核酸塩基との間の結合が切断されると、二本鎖DNAにア塩基部位が残る。これらのア塩基部位は、中間体として生成され、塩基除去修復で修復されることが多い。しかし、これらの部位が残存すると、DNA複製と転写を阻害する可能性がある。^{[ 19 ]}ア塩基部位は、タンパク質のアミン基と反応してDNA-タンパク質架橋を形成したり、他の核酸塩基の環外アミンと反応して鎖間架橋を形成したりする。鎖間架橋やDNA-タンパク質架橋を防ぐために、BER経路の酵素はア塩基部位に強く結合し、ヒトアルキルアデニンDNAグリコシラーゼ（AAG）や大腸菌3-メチルアデニンDNAグリコシラーゼII（AlkA）で実証されているように、近くの反応性基から隔離する。 ^{[ 20 ]} in vitro の証拠は、ア塩基部位によって誘導されるインタースタンドクロスリンク (DOB-ICL) が複製を阻害し、誤コードが多発する病変であることを示した。調べた他のいくつかの TLS ポリメラーゼと比較して、pol η は、in vivo でのDOB-ICL の TLS を介した修復に寄与する可能性が高い。^{[ 21 ]化学的に安定な構造である O 6} -2'-デオキシグアノシン-ブチレン-O ⁶ -2'-デオキシグアノシン (O6-dG-C4-O6-dG) DNA 病変を使用して、いくつかの DNA ポリメラーゼのバイパス活性が調査され、その結果、pol η が最も高いバイパス活性を示したが、バイパス産物の 70% は置換または欠失を含む変異原性であったことが示された。フックされていない修復中間体のサイズの増加は、欠失変異の頻度を上昇させる。^{[ 22 ]}

大腸菌をプソラレン＋紫外線（PUVA ）で処理すると、細胞のDNAに鎖間架橋が生じる。Coleら^{[ 23 ]} およびSindenとCole ^{[ 24 ]}は、 uvrA、uvrB、recA遺伝子の産物を必要とする相同組換え修復プロセスによって、大腸菌のこれらの架橋を除去できるという証拠を提示した。このプロセスは非常に効率的であるようだ。修復されていない架橋が1つまたは2つあるだけで細胞が不活性化するのに十分であるにもかかわらず、野生型の細菌細胞は53～71個のプソラレン架橋を修復して回復することができる。 真核酵母細胞も1つの架橋が残っていると不活性化されるが、野生型の酵母細胞は120～200個の架橋から回復することができる。^{[ 25 ]}

• PDB : 1AIO ​–シスプラチンとDNA付加体形成の相互作用構造
• PDB : 204D –ソラレンと架橋DNAの相互作用構造
• プソラレン紫外線A光線療法