DNA損傷 環境要因や細胞内の正常な代謝 プロセスによるDNA損傷は 、 1細胞あたり1日あたり1万~100万個の分子損傷の割合で発生します。[ 4 ] これはヒトゲノムの約32億塩基のうち最大でも0.03%にすぎませんが、重要な遺伝子(腫瘍抑制遺伝子 など)の修復されない損傷は、細胞がその機能を果たす能力を阻害し、腫瘍形成の可能性を著しく高め、 腫瘍の不均一性 に寄与する可能性があります。
DNA損傷の大部分は二重らせんの一次構造 に影響を与えます。つまり、塩基自体が化学的に修飾されるのです。これらの修飾は、非天然の化学結合や、標準的な二重らせんに収まらないかさ高い付加物を導入することで、分子の規則的ならせん構造を破壊する可能性があります。 タンパク質 やRNA とは異なり、DNAは通常三次構造 を持たないため、そのレベルでは損傷や乱れは発生しません。しかし、DNAは超らせん構造をしており、 ヒストン と呼ばれる「パッケージング」タンパク質(真核生物の場合)に巻き付いています。そして、これらの超構造はどちらもDNA損傷の影響を受けやすいのです。
種類 内因性の細胞プロセスによるDNA損傷には、いくつかの種類がある。
塩基の酸化 [例:8-オキソ-7,8-ジヒドログアニン(8-オキソG)]および活性酸素種によるDNA鎖の切断の生成、塩基のアルキル化 (通常はメチル化 )、例えば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 塩基の加水分解 、例えば脱アミノ化 、脱プリン化 、脱ピリミジン化など。「かさ高い付加体の形成」 (例:ベンゾ[a]ピレンジオールエポキシド-dG付加体、アリストラクタムI-dA付加体)DNA複製時 のエラーによって塩基配列が不一致になる現象 。これは、新たに形成されるDNA鎖に誤ったDNA塩基が組み込まれたり、DNA塩基が飛ばされたり、誤って挿入されたりする現象である。DNAの単一の窒素塩基の変化によって引き起こされるモノアダクト損傷 ジ付加物の損傷 外因性因子によって引き起こされる損傷には様々な形態がある。例としては以下の通りである。
DNAによる紫外線 の直接吸収は光化学反応を誘発し、ピリミジン二量体 の形成と光イオン化を 引き起こし、酸化損傷を誘発する。[ 12 ] [ 13 ] [ 14 ] [ 15 ] UV-A光は 主にフリーラジカル を生成する。フリーラジカルによって引き起こされる損傷は、間接的なDNA損傷 と呼ばれる。放射性崩壊や宇宙線 などによって発生する電離放射線は 、 DNA鎖の切断を引き起こします。中レベルの電離放射線は、修復不可能なDNA損傷(腫瘍形成に必要な複製および転写エラーを引き起こしたり、ウイルスとの相互作用を誘発したりする可能性がある)を引き起こし、早期老化や癌につながる可能性があります。 高温での熱破壊は、 脱プリン化 ( DNA骨格からのプリン 塩基の喪失)と一本鎖切断の速度を増加させます。たとえば、 40~80 ℃の温泉で生育する 好熱性細菌 では、加水分解による脱プリン化が見られます。 [ 16 ] [ 17 ] これらの種では、脱プリン化の速度(1世代あたりゲノムあたり300個のプリン 残基)が高すぎて通常の修復機構では修復できないため、適応応答 の可能性を排除することはできません。 塩化ビニル や過酸化水素 などの工業用化学物質、 および煙、すす、タールに含まれる多環芳香族炭化水素 などの環境化学物質は、エタノエート、酸化塩基、アルキル化ホスホジエステル、 DNAの架橋 など、非常に多様なDNA付加物を生成します。UV損傷、アルキル化/メチル化、X線損傷、酸化損傷は、誘導損傷の例である。自然発生的な損傷には、塩基の喪失、脱アミノ化、糖環の座屈 、互変異性シフトなどが含まれる。内因性酸化剤によって引き起こされる構成的(自然発生的)DNA損傷は、未処理細胞におけるヒストンH2AXリン酸化の低レベルとして検出できる。[ 18 ]
老化とアポトーシス 老化は 、細胞が分裂しなくなる不可逆的なプロセスであり、 テロメア と呼ばれる染色体末端の短縮に対する保護反応です。テロメアは、染色体の末端を覆う反復性の非コードDNA の長い領域であり、細胞が分裂するたびに部分的に分解されます(ヘイフリック限界 を参照)。[ 19 ] 対照的に、静止は 、ゲノムの損傷とは無関係な可逆的な細胞休眠状態です(細胞周期を 参照)。細胞の老化は、生物が空間的な理由で細胞の物理的な存在を必要とする場合、アポトーシスの機能的な代替手段として機能する可能性があります[ 20 ] 。これは、成長促進細胞シグナル がない場合に、損傷したDNAを持つ細胞が不適切に複製するのを防ぐ「最後の手段」メカニズムとして機能します。制御されない細胞分裂は、腫瘍の形成につながる可能性があり(癌を 参照)、これは生物にとって致命的となる可能性があります。したがって、老化とアポトーシスの誘導は、癌に対する防御戦略の一部であると考えられている。[ 21 ]
突然変異 DNAにおける2つの主要なエラータイプであるDNA損傷と突然変異を区別することが重要です。DNA損傷と突然変異は根本的に異なります。損傷は、一本鎖切断や二本鎖切断、8-ヒドロキシデオキシグアノシン 残基、多環芳香族炭化水素付加物など、DNAの物理的な異常を引き起こします。DNA損傷は酵素によって認識されるため、相補的なDNA鎖や相同染色体にある損傷を受けていない配列などの冗長な情報がコピーに利用できる場合は、正しく修復されます。細胞がDNA損傷を保持すると、遺伝子の転写が阻害され、タンパク質への翻訳も阻害されます。複製も阻害される可能性があり、細胞が死に至る場合もあります。
DNA損傷とは対照的に、突然変異はDNAの塩基配列の変化である。塩基配列の変化がDNAの両鎖に存在する場合、突然変異は酵素によって認識されなくなり、したがって修復されない。細胞レベルでは、突然変異はタンパク質の機能や調節に変化をもたらす可能性がある。突然変異は細胞が複製される際に複製される。細胞集団において、突然変異細胞の頻度は、細胞の生存と増殖能力に対する突然変異の影響に応じて増減する。
DNA損傷と突然変異は明らかに異なるものの、関連性がある。なぜなら、DNA損傷は複製や修復の際にDNA合成のエラーを引き起こすことが多く、これらのエラーは突然変異の主要な原因となるからである。
DNA損傷と突然変異のこれらの特性から、DNA損傷は非分裂細胞または分裂速度の遅い細胞において特別な問題であり、修復されない損傷は時間とともに蓄積する傾向があることがわかる。一方、急速に分裂する細胞では、複製を阻害して細胞を死に至らしめない修復されないDNA損傷は、複製エラーを引き起こし、結果として突然変異を引き起こす傾向がある。中立的な影響を及ぼさない突然変異の大部分は、細胞の生存に有害である。したがって、複製細胞からなる組織を構成する細胞集団では、突然変異細胞は失われる傾向がある。しかし、生存に有利なまれな突然変異は、組織内の隣接する細胞を犠牲にしてクローン的に増殖する傾向がある。このような突然変異細胞は癌を引き起こす可能性があるため、細胞にとって有利なこの突然変異は、生物全体にとって不利である。したがって、頻繁に分裂する細胞におけるDNA損傷は、突然変異を引き起こすため、癌の主要な原因である。対照的に、分裂頻度の低い細胞におけるDNA損傷は、老化の主要な原因であると考えられる。[ 22 ]
メカニズム DNA損傷によってゲノム 内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ります(ただし、必須ではない遺伝子が欠損または損傷している場合は、細胞は表面上は機能し続けます)。DNAの二重らせん構造に生じた損傷の種類に応じて、失われた情報を回復するためのさまざまな修復戦略が進化してきました。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 を鋳型として使用して、元の情報を回復します。鋳型にアクセスできない場合、細胞は最終手段として、損傷乗り越え合成と呼ばれるエラーを起こしやすい回復メカニズムを使用します。
DNAの損傷はらせん構造の空間配置を変化させ、細胞はこの変化を感知することができる。損傷部位が特定されると、特定のDNA修復分子が損傷部位またはその近傍に結合し、他の分子の結合を促して複合体を形成し、実際の修復反応を可能にする。
一本鎖損傷 塩基除去修復酵素であるウラシル-DNAグリコシラーゼが、 加水分解によって生成されたウラシル残基をDNAから除去する様子を示す構造。ウラシル残基は黄色で示されている。 二重らせんの2本の鎖のうち1本だけに欠陥がある場合、もう一方の鎖をテンプレートとして使用して、損傷した鎖の修復を誘導することができます。DNAの2つの対になった分子のうち1つの損傷を修復するために、損傷したヌクレオチドを除去し、損傷していないDNA鎖にあるヌクレオチドと相補的な損傷していないヌクレオチドに置き換える切除修復 機構がいくつか存在します。[ 25 ]
塩基除去修復 (BER):損傷した単一の塩基またはヌクレオチドは、通常、関連する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されます。塩基除去修復では、グリコシラーゼ [ 27 ] 酵素が、塩基とデオキシリボース間の結合を切断することによって、DNAから損傷した塩基を除去します。これらの酵素は、単一の塩基を除去してアプリンまたはアピリミジン部位(AP部位 )を作成します。[ 27 ] 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骨格にニック を入れます。次に、DNAポリメラーゼが5'から3'エキソヌクレアーゼ活性を使用して損傷領域を除去し、相補鎖をテンプレートとして使用して新しい鎖を正しく合成します。[ 27 ] その後、ギャップはDNAリガーゼ酵素によって閉じられます。[ 28 ] ヌクレオチド除去修復 (NER):紫外線によって引き起こされるピリミジン二量体化 などのかさばるらせん構造を歪める損傷は、通常、3段階のプロセスで修復されます。まず損傷が認識され、次に損傷部位の上流と下流の両方で12~24ヌクレオチド長のDNA鎖がエンドヌクレアーゼ によって除去され、その後、除去されたDNA領域が再合成されます。[ 29 ] NERは高度に進化的に保存された修復機構であり、ほぼすべての真核細胞と原核細胞で使用されています。[ 29 ] 原核生物では、NERはUvrタンパク質 によって媒介されます。[ 29 ] 真核生物では、より多くのタンパク質が関与しますが、一般的な戦略は同じです。[ 29 ] ミスマッチ修復システムは、 校正 で修正されないエラーを修正するために、ほぼすべての細胞に存在します。これらのシステムは、少なくとも 2 つのタンパク質から構成されています。1 つはミスマッチを検出し、もう 1 つは、損傷領域の近くで新しく合成された DNA 鎖を切断するエンドヌクレアーゼをリクルートします。大腸菌 では、関与するタンパク質は Mut クラス タンパク質、すなわち MutS、MutL、および MutH です。ほとんどの真核生物では、MutS の相同体は MSH であり、MutL の相同体は MLH です。MutH は細菌にのみ存在します。これに続いて、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、および DNA リガーゼによるニック シーリングが行われます。[ 30 ]
二本鎖切断 主な二本鎖切断修復経路 二重らせんの両方の鎖が切断される二本鎖切断 は、ゲノム再編成 につながる可能性があるため、細胞にとって特に危険です。実際、二本鎖切断が、同じ場所で2本の鎖を結合する架橋を伴う場合、どちらの鎖も修復機構のテンプレートとして使用できないため、細胞は次に分裂するときに有糸分裂を完了できず、死滅するか、まれに突然変異を起こします。[ 31 ] [ 32 ] 二本鎖切断(DSB)を修復するメカニズムは、非相同末端結合 (NHEJ)、マイクロホモロジー媒介末端結合 (MMEJ)、相同組換え (HR)の3つがあります。[ 25 ] [ 33 ]
上に示した染色体損傷修復の過程におけるDNAリガーゼは、リン酸骨格とデオキシリボースヌクレオチドとの間にヌクレオチド間エステル結合の形成を触媒することにより、切断されたヌクレオチド同士を結合させる酵素である 。 NHEJでは、補因子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 、2つの末端を直接結合します。[ 34 ] 正確な修復を誘導するために、NHEJは、結合されるDNA末端の一本鎖テールに存在するマイクロホモロジーと呼ばれる短い相同配列に依存しています。これらのオーバーハングが適合する場合、修復は通常正確です。[ 35 ] [ 36 ] [ 37 ] [ 38 ] NHEJは、修復中に突然変異を導入することもあります。切断部位での損傷したヌクレオチドの喪失は欠失につながる可能性があり、一致しない末端の結合は挿入または転座を形成します。NHEJは、相同組換えによる修復に利用できるテンプレートがないため、細胞がDNAを複製する前に特に重要です。高等真核生物 には「バックアップ」NHEJ経路があります。[ 39 ] NHEJはゲノムの世話役としての役割に加えて、脊椎動物の 免疫系 におけるB細胞 および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組換え 中に誘発されるヘアピンキャップ付き二本鎖切断を結合するためにも必要である。[ 40 ] 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露出する。 [ 41 ] さらに、ポリ (ADP-リボース)ポリメラーゼ1 (PARP1)が必要となり、MMEJの初期段階である可能性がある。マイクロホモロジー領域のペアリングが行われ、続いてフラップ構造特異的エンドヌクレアーゼ1 (FEN1)がリクルートされて突出したフラップが除去される。その後、XRCC1 - LIG3 がリクルートされてDNA末端が連結され、完全なDNAが生成される。MMEJは常に欠失を伴うため、MMEJはDNA修復の変異誘発経路である。[ 43 ] HRでは、切断箇所の修復の鋳型として同一またはほぼ同一の配列が存在することが必要です。この修復プロセスを担う酵素機構は、減数分裂中の染色体交叉を担う機構とほぼ同一です。この経路により、損傷した染色体は、姉妹 染色分体 (DNA複製後のG2期に利用可能)または相同染色体を 鋳型として修復されます。複製機構が一本鎖切断または未修復の損傷部位を越えて合成しようとして生じる二本鎖切断(DSB)は、複製フォーク の崩壊を引き起こし、通常は組換えによって修復されます。 試験管内 システムでは、HRとNHEJの両方のメカニズムが利用可能な場合、哺乳類細胞でMMEJがHRの10~20%のレベルで発生した。[ 41 ]
極限環境微生物である デイノコッカス・ラディオデュランスは、 電離放射線 やその他の原因によるDNA損傷に耐える驚くべき能力を持っています。ランダムなDNA切断を伴う少なくとも2つのゲノムコピーは、アニーリング によってDNA断片を形成することができます。部分的に重複する断片は、相補的なパートナー鎖が見つかるまで伸長を続けることができる移動するDループを介して 相同 領域の合成に使用されます。最終段階では、 RecA 依存性相同組換え による交差 が起こります。[ 44 ]
トポイソメラーゼは、DNAの 超らせん 構造を変化させる過程で、一本鎖切断と二本鎖切断の両方を引き起こします。これは、特に複製フォークが開いている領域でよく見られます。このような切断は、トポイソメラーゼの生化学的メカニズムにおける自然な中間体であり、切断を引き起こした酵素によって直ちに修復されるため、DNA損傷とはみなされません。
DNA二本鎖切断のもう1つのタイプは、DNAの熱感受性または熱不安定部位に由来する。これらのDNA部位は、初期DSBではない。しかし、高温処理後にDSBに変化する。電離放射線は、クラスター損傷として非常に複雑な形態のDNA損傷を誘発する可能性がある。これは、DNAらせんのさまざまな場所に存在する異なるタイプのDNA損傷から構成される。これらの近接した損傷の一部は、高温にさらされるとDSBに変化する可能性がある。しかし、これらの損傷の正確な性質とそれらの相互作用はまだわかっていない。[ 45 ]
病変部を越えた合成 損傷乗り越え合成(TLS)は、チミン二量体 やAP部位 などのDNA損傷を乗り越えてDNA複製 機構が複製できるようにするDNA損傷耐性プロセスです。[ 46 ] これは、通常のDNAポリメラーゼを 、損傷したヌクレオチドの反対側に塩基を挿入しやすくする、より大きな活性部位を持つ特殊な損傷乗り越えポリメラーゼ(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など)に切り替えることを含みます。ポリメラーゼの切り替えは、他の要因の中でも、複製プロセス 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ます。損傷乗り越え合成ポリメラーゼは、通常のポリメラーゼと比較して、損傷のないテンプレート上で忠実度が低い(間違った塩基を挿入する傾向が高い)ことがよくあります。しかし、多くは特定の種類の損傷の反対側に正しい塩基を挿入するのに非常に効率的です。たとえば、Pol ηは UV照射 によって誘発された損傷をエラーなくバイパスしますが、Pol ιは これらの部位に突然変異を導入します。 Pol η は、ワトソン・クリック塩基対形成 を用いてT^T フォトダイマー に最初のアデニンを付加し、2 番目のアデニンはフーグスティーン塩基対形成 を用いて syn 配座で付加されることが知られています。細胞の観点からは、損傷乗り越え合成中に点突然変異 を導入するリスクを冒すことは、大規模な染色体異常や細胞死を引き起こす可能性のある、より過激な DNA 修復機構に頼るよりも好ましいかもしれません。要するに、このプロセスには、停止した DNA 複製部位の損傷を迂回または修復する特殊なポリメラーゼが 関与しています。たとえば、ヒト DNA ポリメラーゼ eta は、標的および半標的突然変異を引き起こす可能性がありますが、グアニン-チミン鎖内架橋 G[8,5-Me]T のような複雑な DNA 損傷を迂回することができます。[ 47 ] Paromita Raychaudhury と Ashis Basu [ 48 ] は、特定の DNA ポリメラーゼをノックアウトした大腸菌 で G[8,5-Me]T 修飾プラスミドを複製することにより、大腸菌 における同じ病変の毒性と突然変異誘発を研究した。SOS 誘導性 DNA ポリメラーゼである pol II、pol IV、pol V を欠損した株では生存率が非常に低く、損傷乗り越え合成は主にこれらの特殊な DNA ポリメラーゼによって行われることを示している。これらのポリメラーゼには、増殖細胞核抗原(PCNA) によってバイパス プラットフォームが提供される。通常の状況では、ポリメラーゼに結合した PCNA が DNA を複製する。 損傷 部位では、PCNAはRAD6/ RAD18 タンパク質 によってユビキチン化または修飾され、特殊ポリメラーゼが損傷を迂回してDNA複製を再開するための足場を提供する。[ 49 ] [ 50 ] 損傷乗り越え合成の後、伸長が必要となる。TLSがエラーフリーであれば、Pol ηの場合のように複製ポリメラーゼによってこの伸長を実行できるが、TLSがミスマッチを生じさせる場合は、それを伸長するために特殊ポリメラーゼPol ζ が必要となる。Pol ζは末端ミスマッチを伸長できる点で独特であり、よりプロセス性の高いポリメラーゼはそれができない。したがって、損傷に遭遇すると、複製フォークは停止し、PCNAはプロセス性の高いポリメラーゼからPol ιなどのTLSポリメラーゼに切り替わって損傷を修復し、次にPCNAはPol ζに切り替わってミスマッチを伸長し、最後にPCNAはプロセス性の高いポリメラーゼに切り替わって複製を継続する。
DNA損傷に対する世界的な対応 電離放射線 、紫外線 、または化学物質に曝された細胞は、複数の部位に大きなDNA損傷や二本鎖切断が生じやすい。さらに、DNA損傷剤は、タンパク質 、炭水化物 、脂質 、RNA などの他の生体分子 にも損傷を与える可能性がある。損傷の蓄積、具体的には複製フォーク を停止させる二本鎖切断や付加物は、DNA損傷に対する全体的な応答の既知の刺激シグナルの一つである。[ 51 ] 損傷に対する全体的な応答は、細胞自身の保存に向けられた行為であり、高分子修復、損傷バイパス、耐性、またはアポトーシスの複数の経路を誘発する。全体的な応答の共通の特徴は、複数の 遺伝子 の誘導、細胞周期の 停止、および細胞分裂 の阻害である。
原核生物のSOS応答 SOS応答は、 大腸菌 や他の細菌 で広範な DNA 損傷に応答して起こる遺伝子発現 の変化です。原核生物のSOS システムは、 LexA とRecA という 2 つの主要タンパク質によって制御されています。LexAホモ二量体 は、SOS ボックスと呼ばれるオペレーター 配列に結合する転写 抑制因子 です。大腸菌 では、LexA が lexA 遺伝子と recA 遺伝子を含む約 48 個の遺伝子の転写を制御することが知られています。[ 67 ] SOS 応答は細菌ドメインで広く知られていますが、スピロヘータ などの一部の細菌門ではほとんど存在しません。[ 68 ] SOS 応答を活性化する最も一般的な細胞シグナルは、停止した複製フォークまたは二本鎖切断から生じる一本鎖 DNA (ssDNA) 領域であり、これは DNA ヘリカーゼ によって処理され、2 つの DNA 鎖が分離されます。[ 51 ] 開始段階では、RecAタンパク質がATP加水分解 反応で一本鎖DNAに結合し、RecA-一本鎖DNAフィラメントを形成する。RecA-一本鎖DNAフィラメントはLexA自己プロテアーゼ 活性を活性化し、最終的にLexA二量体の切断とそれに続くLexAの分解につながる。LexAリプレッサーの喪失はSOS遺伝子の転写を誘導し、さらなるシグナル誘導、細胞分裂の阻害、および損傷処理に関与するタンパク質のレベルの増加を可能にする。
大腸菌 では、SOS ボックスはプロモーター付近にある 20 ヌクレオチド長の配列で、回文 構造を持ち、配列の保存性が高い。他のクラスや門では、SOS ボックスの配列は長さや構成が異なり、かなり多様だが、常に高度に保存されており、ゲノム内で最も強力な短いシグナルの 1 つである。[ 68 ] SOS ボックスの情報量が多いため、LexA が異なるプロモーターに異なる結合をすることができ、SOS 応答のタイミングを制御できる。損傷修復遺伝子は、SOS 応答の開始時に誘導される。エラーを起こしやすい損傷乗り越えポリメラーゼ、例えば UmuCD'2 (DNA ポリメラーゼ V とも呼ばれる) は、最後の手段として後から誘導される。[ 69 ] ポリメラーゼまたは組換えによってDNA損傷が修復または回避されると、細胞内の一本鎖DNAの量が減少し、RecAフィラメントの量が減少してLexAホモダイマーの切断活性が低下し、プロモーター付近のSOSボックスに結合して正常な遺伝子発現が回復します。
真核生物におけるDNA損傷に対する転写応答 DNA損傷剤に曝露された真核細胞は、DNA修復、 細胞周期チェックポイント 制御、タンパク質輸送および分解に関与する複数のタンパク質を誘導することにより、重要な防御経路も活性化します。このようなゲノム全体の転写応答は非常に複雑で厳密に制御されているため、損傷に対する協調的な全体的応答が可能になります。酵母 Saccharomyces cerevisiae をDNA損傷剤に曝露すると、重複するものの異なる転写プロファイルが生じます。環境ショック応答 との類似性は、転写活性化のレベルで一般的な全体的ストレス応答経路が存在することを示しています。対照的に、異なるヒト細胞型は損傷に対して異なる応答を示し、共通の全体的応答が存在しないことを示しています。酵母とヒト細胞間のこの違いの考えられる説明は、哺乳類 細胞の不均一性 にある可能性があります。動物では、異なる種類の細胞が異なる臓器に分布しており、DNA損傷に対する感受性が異なっています。[ 70 ]
一般的に、DNA損傷に対するグローバルな応答には、複製後修復 、相同組換え、ヌクレオチド除去修復、DNA損傷チェックポイント 、グローバルな転写活性化、mRNA分解を制御する遺伝子など、多くの遺伝子の発現が関与します。細胞が大量の損傷を受けると、アポトーシスを起こして死ぬか、ゲノムが改変された状態で生き残るかという重要な決断を迫られます。損傷に対する耐性が増加すると、生存率が向上し、より多くの突然変異が蓄積される可能性があります。酵母Rev1とヒトポリメラーゼηは、DNA損傷に対するグローバルな応答中に存在するYファミリー損傷乗り越えDNAポリメラーゼ のメンバーであり、真核生物におけるDNA損傷に対するグローバルな応答中の突然変異誘発の促進に関与しています。[ 51 ]
エージング
DNA修復機能不全による病理学的影響 DNA修復速度は、細胞病理の重要な決定要因である。 DNA修復に遺伝的欠陥を持つ実験動物は、寿命が短くなり、癌の発生率が高くなることが多い。[ 22 ] 例えば、優性NHEJ経路とテロメア維持機構に欠陥のあるマウスは、リンパ腫 や感染症にかかりやすく、その結果、野生型マウスよりも寿命が短い。[ 71 ] 同様に、DNAらせんをほどく重要な修復および転写タンパク質に欠陥のあるマウスは、老化関連疾患が早期に発症し、その結果、寿命が短くなる。[ 72 ] しかし、すべてのDNA修復の欠陥が予測どおりの効果をもたらすわけではない。NER経路に欠陥のあるマウスは、それに応じて突然変異率が高くなることなく、寿命が短くなった。[ 73 ]
マウス 、ハダカデバネズミ 、ヒト の最大寿命は それぞれ約3年、約30年、約129年である。[ 74 ] これらのうち、寿命が最も短いマウスは、いくつかのDNA修復経路の中核遺伝子を含むDNA修復遺伝子を、ヒトやハダカデバネズミよりも低いレベルで発現している。[ 74 ] さらに、ヒトとハダカデバネズミのいくつかのDNA修復経路は、マウスと比較して上方制御されている。これらの観察結果は、DNA修復の亢進が長寿 を促進することを示唆している。[ 74 ]
DNA損傷の速度が細胞の修復能力を超えると、エラーの蓄積が細胞を圧倒し、早期老化、アポトーシス、または癌を引き起こす可能性があります。DNA修復機能の欠陥に関連する遺伝性疾患は、早期老化[ 22 ] 、発癌物質に対する感受性の増加、およびそれに伴う癌リスクの増加(下記 参照)を引き起こします。一方、最も放射線耐性のある既知の生物であるデイノコッカス・ラディオデュランス などの強化されたDNA修復システムを持つ生物は、 DNA修復、特にNHEJの効率の向上により、放射能 の二本鎖切断誘発効果に対して顕著な耐性を示します[ 75 ] 。
長寿とカロリー制限 寿命に影響を与える遺伝子のほとんどは、DNA損傷の速度に影響を与える。 生物集団内の寿命の変動に影響を与える遺伝子がいくつか特定されている。これらの遺伝子の影響は環境、特に生物の食餌に大きく依存する。カロリー制限は、 栄養感知 経路と代謝率の 低下を介して、さまざまな生物で寿命の延長を再現性よくもたらす。このような制限が寿命の延長をもたらす分子メカニズムはまだ不明である(議論については[ 76 ] を参照)。しかし、DNA修復に関与することが知られている多くの遺伝子の挙動は、カロリー制限条件下で変化する。抗老化特性があると報告されているいくつかの薬剤は、代謝活動の低下の証拠であるmTOR シグナル 伝達の構成レベルを減弱させ、同時に内因的に生成された活性酸素種によって誘発されるDNA損傷の構成レベルを低下させることが示されている。[ 77 ]
例えば、線虫Caenorhabditis elegans の DNA パッケージングを制御する遺伝子 SIR-2 の遺伝子量 を増やすと、寿命を大幅に延ばすことができる。[ 78 ] SIR-2 の哺乳類ホモログは、NHEJ に関与する下流の DNA 修復因子を誘導することが知られており、この活性はカロリー制限条件下で特に促進される。[ 79 ] カロリー制限は、齧歯類の核 DNA における塩基除去修復の速度と密接に関連しているが、[ 80 ] 同様の効果はミトコンドリア DNA では観察されていない。[ 81 ]
DNA修復経路の上流エフェクターであるC. elegans 遺伝子AGE-1は、自由摂食条件下では寿命を劇的に延長するが、カロリー制限条件下では生殖適応度を低下させる。[ 82 ] この観察結果は、老化の生物学的起源 に関する多面発現 理論を支持するものであり、人生の初期に大きな生存上の利点をもたらす遺伝子は、人生の後半で対応する不利益をもたらす場合でも選択されることを示唆している。
医学とDNA修復調節
遺伝性DNA修復障害 NER機構の欠陥は、以下のようないくつかの遺伝性疾患の原因となっている。
後者の2つの疾患には知的障害がしばしば伴うことから、発達期の神経細胞の脆弱性が高まっていることが示唆される。
その他のDNA修復障害には以下のようなものがある。
上記すべての疾患は、罹患者が異常に若い年齢で高齢者のように見え、加齢に伴う疾患を発症するものの、老齢期の症状をすべて示すわけではないため、 「分節性早老 症 」(「加速老化疾患」)と呼ばれることが多い。
DNA修復機能の低下に関連するその他の疾患には、ファンコニ貧血 、遺伝性乳がん 、遺伝性大腸がん などがある。
癌 DNA修復機構には固有の限界があるため、人間が十分に長く生きれば、最終的には全員が癌を発症するだろう。[ 83 ] [ 84 ] 少なくとも34種類の遺伝性ヒトDNA修復遺伝子変異があり、癌のリスクを高めている 。これらの変異の多くは、DNA修復を正常よりも効果的にしない原因となる。特に、遺伝性非ポリポーシス大腸癌 (HNPCC)は、DNAミスマッチ修復経路の特定の変異と強く関連している。BRCA1とBRCA2は 、 変異によって乳癌のリスクが大幅に増加する2つの重要な遺伝子であり、[ 85 ] どちらも多数のDNA修復経路、特にNHEJと相同組換えに関連している。
化学療法 や放射線療法 などの癌治療手順は、細胞のDNA損傷修復能力を圧倒し、細胞死を引き起こすことによって機能します。最も急速に分裂する細胞 、最も典型的には癌細胞 が優先的に影響を受けます。副作用として、腸、皮膚、造血系の前駆細胞など、癌ではないが急速に分裂する他の細胞も影響を受けます。現代の癌治療は、物理的な手段(治療薬を腫瘍領域に集中させる)または生化学的な手段(体内の癌細胞に特有の特性を利用する)のいずれかによって、DNA損傷を癌に関連する細胞や組織のみに局在させようとします。DNA損傷応答遺伝子を標的とする治療の文脈では、後者のアプローチは「合成致死性」と呼ばれています。[ 86 ]
おそらくこれらの「合成致死性」薬の中で最もよく知られているのは、ポリ(ADP-リボース)ポリメラーゼ1(PARP1 )阻害剤オラパリブ であり、これは2015年に米国食品医薬品局によってBRCA欠損卵巣がんの女性の治療薬として承認された。DNA損傷応答(特に相同組換え 修復)が部分的に失われた腫瘍細胞は、別のメカニズムである一本鎖切断修復に依存しており、これは部分的にPARP1遺伝子産物からなるメカニズムである。[ 87 ] オラパリブ は、併用投与された化学療法によって引き起こされたDNA損傷によって誘発される一本鎖切断修復を阻害するために化学療法剤と併用される。この残存DNA修復メカニズムに依存する腫瘍細胞は損傷を修復することができず、したがって生存および増殖することができないが、正常細胞は機能する相同組換えメカニズムによって損傷を修復することができる。
がんによく見られる他の残存DNA修復機構に対する多くの薬剤が現在研究されている。しかし、DNA損傷応答経路の再構築や以前に阻害された欠陥の復帰によって獲得される耐性の証拠が現れているため、合成致死治療アプローチには疑問が呈されている。[ 88 ]
がんにおけるDNA修復の欠陥 研究により、DNA損傷応答が前癌細胞の悪性形質転換に対する障壁として機能することが示されている。[ 89 ] 初期の研究では、癌遺伝子 活性化を伴う細胞培養モデル[ 90 ] および前癌性結腸腺腫[ 91 ] において、DNA損傷応答の上昇が示されている。DNA損傷応答機構は細胞周期停止を引き起こし、DNA損傷の修復を試みるか、修復が不可能な場合は細胞死/老化を促進する。前癌細胞では、癌遺伝子変異による増殖シグナルの増加により複製ストレスが観察される。複製ストレス は、複製開始/複製起点の発火の増加、転写の増加および転写複製複合体の衝突、ヌクレオチド欠乏、活性酸素種(ROS)の増加によって特徴付けられる。[ 92 ]
複製ストレスは、腫瘍の進化におけるDNA損傷応答遺伝子の不活性化変異の選択とともに、[ 93 ] 一部のDNA損傷応答メカニズムのダウンレギュレーションおよび/または喪失につながり、その結果、DNA修復および/または老化/プログラム細胞死の喪失につながります。実験マウスモデルでは、短いヘアピンRNA (shRNA)を使用して二本鎖切断応答キナーゼアタキシアテランギエクタシア(ATM)を阻害した後、DNA損傷応答を介した細胞老化の喪失が観察され、腫瘍のサイズと浸潤性の増加につながりました。[ 91 ] DNA修復メカニズムの遺伝的欠陥(例えば、Li-Fraumeni症候群 )を持って生まれたヒトは、癌のリスクが高くなります。[ 94 ]
DNA損傷応答変異の頻度は癌の種類によって異なり、例えば、乳癌浸潤癌の30%は相同組換えに関与する遺伝子に変異がある。[ 89 ] 癌では、すべてのDNA損傷応答機構(塩基除去修復(BER)、ヌクレオチド除去修復(NER)、DNAミスマッチ修復(MMR)、相同組換え修復(HR)、非相同末端結合(NHEJ)、損傷乗り越えDNA合成(TLS))でダウンレギュレーションが観察される。[ 95 ] DNA損傷修復遺伝子の変異に加えて、 DNA修復が起こるのに十分な時間を確保するために細胞周期を 停止させる役割を担う遺伝子にも変異が生じ、一部の遺伝子はDNA損傷修復と細胞周期チェックポイント制御の両方に関与している。例えば、ATMとチェックポイントキナーゼ2(CHEK2)は、非小細胞肺癌でしばしば欠損またはダウンレギュレーションされている腫瘍抑制因子である。[ 96 ]
がんにおけるエピジェネティックDNA修復の欠陥 従来、癌は腫瘍抑制遺伝子や癌遺伝子の変異、染色体異常などの進行性の遺伝子異常によって引き起こされる一連の疾患として捉えられてきた。しかし、癌はエピジェネティックな変化 によっても引き起こされることが明らかになってきた。[ 97 ]
エピジェネティック変化とは、ヌクレオチド配列の変化を伴わない、ゲノムに対する機能的に関連する修飾を指します。このような修飾の例としては、DNAメチル化 (過メチル化および低メチル化)およびヒストン修飾の変化 [ 98 ] 、染色体構造の変化(HMGA2 やHMGA1 などのタンパク質の不適切な発現によって引き起こされる)[ 99 ] 、マイクロRNA によって引き起こされる変化などがあります。これらのエピジェネティック変化はそれぞれ、基となるDNA配列 を変えることなく遺伝子発現を調節する役割を果たします。これらの変化は通常、細胞分裂 を通して維持され、複数の細胞世代にわたって持続し、エピ変異(突然変異と同等)とみなすことができます。
がんでは多数のエピジェネティック変化が見られるが、DNA修復遺伝子のエピジェネティック変化は、DNA修復タンパク質の発現低下を引き起こし、特に重要であると考えられる。このような変化は、がんへの進行の初期に発生し、がんの特徴である遺伝的不安定性の原因である可能性が高いと考えられている。 [ 100 ] [ 101 ] [ 102 ] 修復遺伝子のプロモーターの直接メチル化やヒストン関連のサイレンシングに加えて、クロマチンリモデリング複合体の欠陥もDNA修復能力を損なう可能性がある。特に、SWI/SNFクロマチンリモデリング複合体は、相同組換え(HR)と非相同末端結合(NHEJ)の両方を促進することにより、DNA二本鎖切断の修復に関与することが示されている。これらの複合体は、損傷部位でのクロマチンのアクセス可能性を調節し、RAD51、KU70、KU80などの必須修復因子を二本鎖切断にリクルートできるようにすることにより、DNA修復を促進する。このようなクロマチンに基づくメカニズムは、エピジェネティックな調節異常が細胞のDNA修復経路に直接影響を与え、ゲノム不安定性につながる仕組みを示している。[ 103 ]
DNA修復遺伝子の発現低下は、DNA修復の欠陥を引き起こします。DNA修復が不十分な場合、細胞内には通常よりも高いレベルのDNA損傷が残り、これらの過剰な損傷は突然変異またはエピ突然変異の頻度を増加させます。突然変異率は、DNAミスマッチ修復 [ 104 ] [ 105 ] または相同組換え 修復(HRR)[ 106 ] に欠陥のある細胞で大幅に増加します。染色体再編成と異数性もHRR欠陥細胞で増加します。[ 107 ]
DNA損傷のレベルが高いと、突然変異が増加するだけでなく、エピ突然変異も増加します。DNA二本鎖切断の修復、またはその他のDNA損傷の修復中に、修復部位が完全に除去されないと、エピジェネティックな遺伝子サイレンシングを引き起こす可能性があります。[ 108 ] [ 109 ]
遺伝性変異によるDNA修復タンパク質の不十分な発現は、がんのリスク増加を引き起こす可能性があります。34個のDNA修復遺伝子のいずれかに遺伝性障害がある個人(DNA修復欠損症の 記事を参照)はがんのリスクが高く、一部の欠陥は生涯がん発症率が最大100%になることがあります(例:p53変異)。[ 110 ] しかし、このような生殖細胞系列変異 (浸透率の高いがん症候群を引き起こす)は、がんの約1%の原因にすぎません。[ 111 ]
DNA修復遺伝子におけるエピ変異の頻度 一般的なDNA損傷因子、それらがDNAに引き起こす損傷の例、およびこれらの損傷を修復するために使用される経路を示す図。これらの経路に含まれる多くの遺伝子も示されており、どの遺伝子がエピジェネティックに制御されて様々な癌で発現が減少(または増加)しているかがわかる。また、エラーを起こしやすいマイクロホモロジー媒介末端結合経路に含まれる遺伝子で、様々な癌で発現が増加しているものも示されている。 DNA修復酵素の欠損は、DNA修復遺伝子の新たに生じた体細胞変異によって引き起こされることもありますが、DNA修復遺伝子の発現を低下または抑制するエピジェネティックな変化によって引き起こされる方がはるかに多いです。たとえば、113例の大腸がんを連続的に調べたところ、DNA修復遺伝子MGMTに ミスセンス変異が あったのはわずか4例で、大多数はMGMTプロモーター領域のメチル化(エピジェネティックな変化)によりMGMTの発現が低下していました。[ 112 ] 5つの異なる研究で、大腸がんの40%から90%がMGMTプロモーター領域のメチル化によりMGMTの発現が低下していることがわかりました。[ 113 ] [ 114 ] [ 115 ] [ 116 ] [ 117 ]
同様に、DNA修復遺伝子PMS2 の発現が欠如しているミスマッチ修復欠損大腸癌119例のうち、6例ではPMS2遺伝子の変異によりPMS2が欠損しており、103例ではプロモーターのメチル化によりペアリングパートナーであるMLH1 が抑制されたためPMS2の発現が欠損していた(MLH1がないとPMS2タンパク質は不安定である)。[ 118 ] 残りの10例では、PMS2の発現喪失は、MLH1を下方制御するマイクロRNA miR-155 のエピジェネティックな過剰発現によるものと考えられる。 [ 119 ]
さらに別の例として、エピジェネティックな欠陥はさまざまな癌(乳癌、卵巣癌、大腸癌、頭頸部癌など)で発見されています。Facistaら[ 120 ] が評価した49の大腸癌の大部分では、 ERCC1 、XPF 、またはPMS2の発現の2つまたは3つの欠損が同時に発生しています。
このセクションの図は、よく見られるDNA損傷因子、それらが引き起こすDNA損傷の例、およびこれらのDNA損傷に対処する経路を示しています。少なくとも169の酵素が、DNA修復に直接使用されるか、DNA修復プロセスに影響を与えます。[ 121 ] これらのうち、83は図に示されている5種類のDNA損傷の修復に直接使用されます。
これらの修復プロセスの中心となる、よりよく研究されている遺伝子のいくつかをチャートに示します。赤、灰色、またはシアンで示されている遺伝子の名称は、さまざまな種類の癌で頻繁にエピジェネティックに変化する遺伝子を示しています。赤、灰色、またはシアンで強調表示されている各遺伝子に関するWikipediaの記事では、エピジェネティックな変化と、これらのエピ変異が見られる癌について説明しています。レビュー記事[ 122 ] および広範な実験的調査記事[ 123 ] [ 124 ] も、癌におけるこれらのエピジェネティックなDNA修復の欠陥のほとんどを記録しています。
赤色で強調表示された遺伝子は、様々な癌においてエピジェネティック機構によって発現が抑制またはサイレンシングされることが多い。これらの遺伝子の発現が低い、あるいは発現がない場合、DNA損傷が蓄積する可能性がある。これらの損傷を超えた複製エラー(損傷乗り越え合成を 参照)は、突然変異の増加、ひいては癌につながる可能性がある。正確なDNA修復経路におけるDNA修復遺伝子のエピジェネティックな抑制は、 発癌の 中心的な役割を担っていると考えられる。
灰色で強調表示されている2つの遺伝子、RAD51とBRCA2は、相同組換え修復に必須です。これらの遺伝子は、特定の癌においてエピジェネティックに過剰発現している場合と、発現が低下している場合があります。RAD51とBRCA2 に関する Wikipediaの 記事 にも示さ れているように、このような癌では通常、他のDNA修復遺伝子にエピジェネティックな欠陥があります。これらの修復欠陥は、修復されないDNA損傷の増加を引き起こす可能性があります。これらの癌で見られるRAD51 とBRCA2の過剰発現は、このような過剰なDNA損傷に少なくとも部分的に対処するために、 RAD51 またはBRCA2 の 過剰発現と相同組換え修復の増加に対する選択圧を反映している可能性があります。RAD51またはBRCA2の 発現が低下している場合、それ自体が修復されないDNA損傷の増加につながります。これらの損傷を超えた複製エラー(損傷乗り越え合成を参照)は、突然変異や癌の増加を引き起こす可能性があり、 RAD51 またはBRCA2 の発現低下自体が発癌性を持つことになる。
シアンで強調表示された遺伝子は、マイクロホモロジー媒介末端結合 (MMEJ)経路に属し、癌で発現が亢進しています。MMEJは、二本鎖切断に対する、エラーを起こしやすい不正確な 修復経路です。二本鎖切断のMMEJ修復では、対になった両方の鎖間に5~25塩基対の相補的な相同性があれば鎖を整列させるのに十分ですが、通常はミスマッチ末端(フラップ)が存在します。MMEJは、鎖が結合している余分なヌクレオチド(フラップ)を除去し、鎖を連結して完全なDNA二重らせんを形成します。MMEJはほぼ常に少なくとも小さな欠失を伴うため、突然変異誘発経路です。[ 33 ] MMEJ のフラップ エンドヌクレアーゼであるFEN1 は 、プロモーターの低メチル化によってエピジェネティックに増加し、乳がん[ 125 ] 前立腺がん[ 126 ] 胃がん[ 127 ] [ 128 ] 神経芽腫[ 129 ] 膵臓がん[ 130 ] および肺がん [ 131 ] の 大 部分 で 過剰発現しています。 PARP1 も、そのプロモーター領域のETS 部位がエピジェネティックに 低メチル化されている場合に過剰発現し、子宮内膜がん[ 132 ] および BRCA 変異漿液性卵巣がん[ 133 ] への進行に寄与しています。 MMEJ 経路の他の遺伝子も多くの癌で過剰発現しており (概要についてはMMEJ を 参照)、シアンで示されています。
DNA修復によるエピジェネティックな変化 DNA損傷は非常に一般的であり、常に修復されています。酸化損傷や二本鎖切断のDNA修復に伴って、エピジェネティックな変化が生じることがあります。ヒト細胞では、酸化DNA損傷は1日に約1万回、DNA二本鎖切断は体細胞複製細胞において細胞周期ごとに約10~50回発生します(「DNA損傷(自然発生) 」を参照)。DNA修復の選択的利点は、細胞がDNA損傷に直面しても生存できるようにすることです。DNA修復に伴って生じるエピジェネティックな変化の選択的利点は明らかではありません。
酸化DNA損傷の修復はエピジェネティックマーカーを変化させる可能性がある 定常状態(内因性の損傷が発生し、修復されている状態)では、平均的な哺乳類細胞のDNAには、8-オキソ-2'-デオキシグアノシン(8-OHdG)を形成する約2,400個の酸化損傷グアニンが存在する。 [ 139 ] 8-OHdGは、DNAに一般的に存在する酸化損傷の約5%を占める。[ 140 ] 酸化グアニンは、DNA中のすべてのグアニンの中でランダムに発生するわけではない。メチル化 CpG部位( 5'→3'方向 に沿ってシトシンの後にグアニンが続き、シトシンがメチル化されている(5-mCpG))のグアニンには配列上の優先性がある。[ 141 ] 5-mCpG部位は、グアニン酸化のイオン化ポテンシャルが最も低い。
CpG部位 でのDNA脱メチル化 の開始。成体体細胞では、DNAメチル化は通常CpGジヌクレオチド( CpG部位 )のコンテキストで起こり、5-メチルシトシン -pG、または5mCpGを形成します。活性酸素種(ROS)はジヌクレオチド部位のグアニンを攻撃し、8-ヒドロキシ-2'-デオキシグアノシン (8-OHdG)を形成し、5mCp-8-OHdGジヌクレオチド部位をもたらします。塩基除去修復 酵素OGG1は 8-OHdGを標的とし、直ちに除去することなく損傷部位に結合します。5mCp-8-OHdG部位に存在するOGG1はTET1を リクルートし、TET1は8-OHdGに隣接する5mCを酸化します。これにより、5mCの脱メチル化が開始されます。[ 142 ] 酸化グアニンはミスペアリングを起こしやすく、変異原性がある。[ 143 ] オキソグアニングリコシラーゼ (OGG1)は、DNA修復中に酸化グアニンを除去する主要な酵素である。OGG1は数秒以内に8-OHdGを見つけて結合する。[ 144 ] しかし、OGG1は8-OHdGをすぐに除去するわけではない。HeLa細胞では、8-OHdGの最大除去量の半分が30分で起こり、[ 145 ] 放射線照射されたマウスでは、マウス肝臓で誘導された8-OHdGは半減期11分で除去される。[ 140 ]
OGG1がメチル化CpG部位 内の酸化グアニンに存在すると、TET1を 8-OHdG病変にリクルートします(図を参照)。これにより、TET1は隣接するメチル化シトシンを脱メチル化することができます。[ 146 ] シトシンの脱メチル化はエピジェネティックな変化です。[ 147 ]
例えば、ヒト乳腺上皮細胞を6時間H₂O₂で処理すると、 DNA 中の8-OHdGが約3.5倍に増加し、ゲノム中の5-メチルシトシンの約80%が脱メチル化されました。[ 142 ] TET酵素 活性 による遺伝子プロモーターのCpGの脱メチル化は、遺伝子のメッセンジャーRNAへの転写を増加させます。[ 148 ] H₂O₂ で処理した細胞では、特定の遺伝子であるBACE1 が調べられました。[ 142 ] BACE1 CpGアイランド のメチル化レベルが低下し(エピジェネティックな変化)、これにより BACE1 メッセンジャーRNAの発現が約6.5倍増加しました。
H₂O₂ で 6 時間培養すると5-mCpG 部位の脱メチル化が かなり起こるが、H₂O₂ での培養時間が短いと他 のエピジェネティックな変化が促進されるようだ。細胞を H₂O₂ で 30 分間処理すると、ミスマッチ 修復タンパク質ヘテロ二量体 MSH2-MSH6 が DNA メチルトランスフェラーゼ 1 (DNMT1) をある種の酸化 DNA 損傷部位にリクルートする。[ 149 ] これにより、 これらの部位でシトシンのメチル化 (エピジェネティックな変化) が増加する可能性がある。
Jiang ら[ 150 ] は、 HEK 293 細胞を 酸化 DNA 損傷を引き起こす薬剤 (臭素酸カリウム (KBrO3) またはクロム酸カリウム (K2CrO4))で処理した。酸化損傷の塩基除去修復 (BER) は、酸化グアニンに局在する DNA 修復酵素ポリメラーゼ β によって行われた。ポリメラーゼ β は、酸化 DNA 損傷のショートパッチ BER における主要なヒト ポリメラーゼである。Jiang ら[ 150 ] はまた、ポリメラーゼ β がDNA メチルトランスフェラーゼタンパク質 DNMT3b を BER 修復部位にリクルートすることも発見した。次に、 BRCA1遺伝子の プロモーター 領域と初期転写領域を含む小さな DNA 領域の単一ヌクレオチドレベルでのメチル化パターンを評価した。臭素酸塩による酸化 DNA 損傷は、研究対象の DNA 領域内の CpG 部位の DNA メチル化パターンを調節した (エピジェネティックな変化を引き起こした)。未処理細胞では、BRCA1遺伝子の-189、-134、-29、-19、+16、および+19に位置するCpGにメチル化シトシンが存在していた(番号はメッセンジャーRNA 転写開始部位から、負の数は上流プロモーター 領域のヌクレオチドを示す)。臭素酸塩処理による酸化の結果、-189、-134、+16、および+19のシトシンメチル化が消失し、DNA修復後には-80、-55、-21、および+8に位置するCpGに新たなメチル化が生じた。
相同組換え修復はエピジェネティックマーカーを変化させる 少なくとも4つの論文が、DNAメチルトランスフェラーゼ1(DNMT1) がDNA二本鎖切断部位にリクルートされることを報告している。[ 151 ] [ 152 ] [ 108 ] [ 153 ] 二本鎖切断の相同組換え修復(HR) 中、DNMT1の関与により、修復された2本のDNA鎖のメチル化シトシンのレベルが異なってくる。一方の鎖は、修復された二本鎖切断の下流にある約21個のCpG部位 で頻繁にメチル化される。もう一方のDNA鎖は、二本鎖切断の下流で以前にメチル化されていた約6個のCpG部位でメチル化を失い、二本鎖切断の上流で以前にメチル化されていた約5個のCpG部位でもメチル化を失う。染色体が複製されると、以前の切断部位の下流が高度にメチル化された娘染色体と、以前の切断部位の上流と下流の両方の領域が非メチル化された娘染色体がそれぞれ生じる。二本鎖切断によって切断された遺伝子に関して、子孫細胞の半分はその遺伝子を高レベルで発現し、残りの半分の子孫細胞ではその遺伝子の発現が抑制される。これらの細胞のクローンを3年間維持すると、新しいメチル化パターンはその期間にわたって維持された。[ 154 ]
CRISPRを介した相同組換え挿入がゲノムに生じたマウスでは、二本鎖切断関連挿入内のCpG部位のメチル化が多数増加していた。[ 155 ]
進化 DNA修復の基本的なプロセスは、原核生物 と真核生物 、さらにはバクテリオファージ (細菌に 感染するウイルス )の間でも高度に保存されて います。しかし、より複雑なゲノムを持つより複雑な生物は、それに応じてより複雑な修復メカニズムを持っています。[ 157 ] 多数のタンパク質構造モチーフ が関連する化学反応を触媒する能力は、進化の過程で修復メカニズムの精緻化に重要な役割を果たしてきました。DNA修復の進化に関する仮説の非常に詳細なレビューについては、[ 158 ]を参照してください。
化石記録 によれば、単細胞生物は先カンブリア時代 のある時点で地球上で増殖し始めたことが示されているが、現代生物と認識できるものが最初に出現した正確な時期は不明である。核酸は 遺伝情報を符号化する唯一かつ普遍的な手段となり、DNA修復機構が必要となった。この機構は、基本的な形では、すべての現存する生命体が共通の祖先から受け継いでいる。光合成生物 による地球の酸素に富んだ大気(「酸素大惨事 」として知られる)の出現、および酸化的リン酸化 による細胞内の潜在的に有害なフリーラジカルの存在は、 酸化ストレス によって引き起こされる損傷の種類に特異的に対抗するDNA修復機構の進化を必要とした。しかし、これがどのようにして起こったのか、そのメカニズムは不明である。
進化変化の速度 場合によっては、DNA損傷が修復されないか、または元の配列からの変化をもたらすエラーを起こしやすいメカニズムによって修復されることがあります。これが起こると、突然変異が 細胞の子孫のゲノムに伝播する可能性があります。このような事象が最終的に配偶子を 生成する生殖 細胞で発生した場合、突然変異は生物の子孫に受け継がれる可能性があります。特定の種(または特定の遺伝子)の進化 速度は、突然変異率の関数です。結果として、DNA修復メカニズムの速度と精度は、進化の変化のプロセスに影響を与えます。[ 159 ] DNA損傷の保護と修復は、遺伝子調節と対立遺伝子の組換えと選択による適応の速度には影響を与えません。一方、DNA損傷の修復と保護は、修復不可能な有利なコード拡張遺伝性突然変異の蓄積速度に影響を与え、新しい機能を持つ生物のゲノムの拡張の進化メカニズムを遅らせます。進化可能性と突然変異の修復および保護との間の緊張関係については、さらなる研究が必要である。
テクノロジー クラスター化規則的間隔短回文配列(CRISPR -Cas9と略される)と呼ばれる技術が2012年に発見されました。この新しい技術により、分子生物学の訓練を受けた人なら誰でも、特定の箇所でDNA損傷を誘発し、DNA修復機構を変更して新しい遺伝子を挿入することにより、あらゆる種の遺伝子を正確に改変することが可能になります。[ 160 ] これは、他の技術よりも安価で、効率的で、より正確です。CRISPR-Cas9の助けを借りて、科学者はDNA配列の一部を削除、追加、または変更することにより、ゲノムの一部を編集することができます。
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