老化のDNA損傷説

老化のDNA損傷説は、老化は自然発生的なDNA損傷が修復されずに蓄積した結果であると提唱している。この文脈における損傷とは、異常な構造を持つDNAの変化のことである。ミトコンドリアDNAと核DNAの両方の損傷が老化に寄与する可能性があるが、本分析では核DNAが主な対象である。核DNAの損傷は、間接的に（アポトーシスや細胞老化の増加によって）または直接的に（細胞機能不全の増加によって）老化に寄与する可能性がある。^{[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ]}

いくつかの総説論文では、DNA修復の欠陥によりDNA損傷の蓄積が増加すると早老症を引き起こすこと、またDNA修復の増加により寿命が延びることが示されています。例えば、^{[ 5 ] [ 6 ]}ヌクレオチド除去修復症候群のマウスモデルでは、特定のDNA修復経路が損なわれる程度と加速老化の重症度との間に顕著な相関関係が見られ、因果関係が強く示唆されています。^{[ 7 ]}ヒト集団研究では、 DNA修復遺伝子の単一ヌクレオチド多型が発現のアップレギュレーションを引き起こし、寿命の延長と相関することが示されています。^{[ 8 ]} Lombardらは、早老症の病理学的特徴を持つマウス変異モデルの長いリストをまとめましたが、これらはすべて異なるDNA修復欠陥によって引き起こされています。^{[ 9 ]} Freitasとde Magalhãesは、DNA損傷と老化を結びつける多くの形態の証拠の詳細な分析を含む、老化のDNA損傷理論の包括的なレビューと評価を発表しました。^{[ 2 ]}例として、100歳から107歳の百寿者は、69歳から75歳の一般高齢者よりも、 2つのDNA修復酵素PARP1とKu70のレベルが高いことを示す研究について説明した。 ^{[ 10 ] [ 2 ]}彼らの分析は、DNA修復の改善が長寿につながるという仮説を支持した。全体として、DNA損傷に対する反応の複雑さはまだ部分的にしか理解されていないが、加齢に伴うDNA損傷の蓄積が老化の主な原因であるという考えは、直感的で強力なものであると結論付けた。^{[ 2 ]}

ヒトや他の哺乳類では、DNA損傷は頻繁に発生し、それを補うためにDNA修復プロセスが進化してきた。^{[ 11 ]}マウスの推定では、DNA損傷は平均して細胞ごとに1分間に25～115回、つまり1細胞あたり1日に約36,000～160,000回発生する。^{[ 12 ]}修復プロセスが働いても、細胞内にはいくらかのDNA損傷が残る可能性がある。修復されないDNA損傷の蓄積は、特定の種類の細胞、特に脳、骨格筋、心筋などの非複製細胞または複製速度の遅い細胞でより多く見られる。^{[ 13 ]}

老化のDNA損傷説を理解するには、DNAに生じる2つの主要なエラーであるDNA損傷と突然変異を区別することが重要です。損傷と突然変異は根本的に異なります。DNA損傷とは、DNAのあらゆる物理的異常を指し、例えば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が含まれます。DNA損傷は酵素によって認識され、DNAの相補的な損傷を受けていない鎖を鋳型として、あるいは相同染色体の損傷を受けていない配列がコピー可能な場合はそれを用いて、正しく修復されます。細胞にDNA損傷が残ると、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、細胞が死に至る場合もあります。次のセクションでは、老化の特徴であり、DNA損傷の蓄積に関連する機能低下について説明します。

DNA損傷とは対照的に、突然変異はDNAの塩基配列の変化です。塩基の変化が両方のDNA鎖に存在すると、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ません。細胞レベルでは、突然変異はタンパク質の機能と調節に変化を引き起こす可能性があります。突然変異は細胞が複製されるときに複製されます。細胞集団では、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します。DNA損傷と突然変異は明確に異なりますが、DNA損傷は複製または修復中にDNA合成のエラーを引き起こすことが多く、これらのエラーが突然変異の主要な原因であるため、関連性があります。

DNA損傷と突然変異のこうした性質から、DNA損傷は、非分裂細胞や分裂速度の遅い細胞において特に問題となることがわかる。これらの細胞では、修復されない損傷が時間とともに蓄積する傾向がある。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につながる傾向がある。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、突然変異細胞は淘汰される傾向がある。しかし、まれに発生する生存上の利点をもたらす突然変異は、組織内の隣接細胞を犠牲にしてクローン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、細胞にとっての利点は生物全体にとって不利となる。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、癌の主要な原因となる。対照的に、分裂頻度の低い細胞におけるDNA損傷は、老化の主要な原因となる可能性が高い。

DNA損傷が突然変異とは区別して老化の主な原因であると最初に提唱したのは、1967年のアレクサンダーであった。^{[ 14 ]} 1980年代初頭までに、この考えを裏付ける実験的証拠が文献に多数存在した。^{[ 15 ]} 1990年代初頭までに、この考えを裏付ける実験的証拠は相当なものとなり、さらに、特に酸化DNA損傷が老化の主な原因であることがますます明らかになってきた。^{[ 16 ] [ 17 ] [ 13 ] [ 18 ] [ 19 ]}

1970年から1977年にかけての一連の論文で、PV Narasimh Acharya博士（1924～1993）は、細胞が「修復不可能なDNA損傷」を受けるという理論を提唱し、その証拠を提示した。これは、正常な細胞修復プロセスが両方とも失敗し、かつ細胞のアポトーシスが起こらない場合にDNA架橋が生じるというものである。具体的には、Acharyaは、二本鎖切断と「両方の鎖を同じ点で結合する架橋は、どちらの鎖も修復のテンプレートとして機能できないため、修復不可能である。細胞は次の有糸分裂で死ぬか、まれに突然変異を起こす」と指摘した。^{[ 20 ] [ 21 ] [ 22 ] [ 23 ] [ 24 ]}

非複製細胞または複製頻度の低い細胞で構成される組織では、DNA損傷は加齢とともに蓄積し、細胞の喪失、または生存細胞における遺伝子発現の喪失につながる可能性があります。蓄積されたDNA損傷は通常、直接測定されます。この種の研究の多くは、DNAへの酸化損傷が特に重要であることを示しています。^{[ 25 ]}特定の遺伝子の発現喪失は、mRNAレベルとタンパク質レベルの両方で検出できます。

加齢に伴う遺伝子発現の変化のもう1つの形態は転写変動性の増加であり、これは最初に心臓細胞の特定の遺伝子パネルで発見され^{[ 26 ] 、最近では免疫細胞[ 27 ]およびヒト膵臓細胞[ 28 ]}の全トランスクリプトームで発見された。

関連する理論として、DNA損傷とは区別される突然変異が老化の主な原因であるというものがある。複数の哺乳類種における体細胞突然変異率を比較したところ、寿命の終わりまでに蓄積された突然変異の総数は、幅広い寿命にわたってほぼ等しいことがわかった。^{[ 49 ]}著者らは、異なる哺乳類種における体細胞突然変異率と寿命の間のこの強い関係は、進化が体細胞突然変異率を制限している可能性があり、おそらく異なるDNA修復経路に作用する選択によるものだと述べている。

前述のように、突然変異は、鋳型DNAが損傷した際のDNA合成エラーの結果として、頻繁に複製する細胞で発生しやすく、癌を引き起こす可能性があります。しかし、マウスでは、加齢に伴う脳の突然変異の増加は見られません。^{[ 50 ] [ 51 ] [ 52 ]}通常、DNAの塩基ミスペアを修復する遺伝子（Pms2）に欠陥のあるマウスは、すべての組織で突然変異頻度が約100倍上昇しますが、より急速に老化しているようには見えません。^{[ 53 ]}一方、特定のDNA修復経路に欠陥のあるマウスは、明らかに早期老化を示しますが、突然変異の増加は見られません。^{[ 54 ]}

突然変異が老化の基盤であるという考え方のバリエーションの一つで、注目を集めているのは、ミトコンドリアDNAの突然変異が老化の原因であるという考え方です。いくつかの研究では、ミトコンドリアDNAの突然変異は、加齢とともに、複製頻度の低い細胞で蓄積することが示されています。DNAポリメラーゼγは、ミトコンドリアDNAを複製する酵素です。このDNAポリメラーゼに欠陥のあるマウスの突然変異体は、ミトコンドリアDNAを不正確にしか複製できないため、正常なマウスよりも500倍高い突然変異負荷を抱えています。これらのマウスは、急速に加速した老化の明確な特徴を示しませんでした。^{[ 55 ]}全体として、このセクションで議論した観察結果は、突然変異が老化の主な原因ではないことを示しています。

げっ歯類では、カロリー制限は老化を遅らせ、寿命を延ばします。少なくとも4つの研究で、カロリー制限がげっ歯類のさまざまな臓器における8-OHdGの損傷を軽減することが示されています。これらの研究の1つは、カロリー制限がラットの脳、心臓、骨格筋、およびマウスの脳、心臓、腎臓、肝臓における加齢に伴う8-OHdGの蓄積を減少させることを示しました。^{[ 37 ]}さらに最近では、Wolfら^{[ 34 ]}は、食事制限がラットの脳、心臓、骨格筋、肝臓における加齢に伴う8-OHdGの蓄積を減少させることを示しました。したがって、酸化DNA損傷の減少は、老化速度の低下と寿命の延長に関連しています。

DNA損傷が老化の根本原因であるならば、DNA損傷修復能力に遺伝的欠陥を持つ人は、そのような欠陥を持たない人よりも老化が速いと予想される。DNA修復欠陥を伴う稀な遺伝性疾患は数多く知られている。これらの疾患の中には、早老症の顕著な特徴を複数示すものもあれば、そうした特徴が少ないものもある。おそらく最も顕著な早老症は、ウェルナー症候群（平均寿命47歳）、ハッチンソン・ギルフォード症候群（平均寿命13歳）、コケイン症候群（平均寿命13歳）であろう。

ウェルナー症候群は、DNAの塩基除去修復に関与する酵素（ヘリカーゼとエキソヌクレアーゼ）の遺伝的欠陥によるものである（例えば、Harriganら^{[ 56 ]}を参照）。

ハッチンソン・ギルフォード早老症は、細胞核内でクロマチンを組織化するための足場を形成し、DNAの二本鎖切断の修復に必要なラミンAタンパク質の欠陥が原因です。 ^{[ 57 ]} A型ラミンは、非相同末端結合と相同組換えのDNA修復プロセスで重要な役割を果たすタンパク質のレベルを維持することにより、遺伝的安定性を促進します。^{[ 58 ]}プレラミンAの成熟が欠損したマウス細胞は、DNA損傷と染色体異常が増加し、DNA損傷剤に対してより敏感になります。^{[ 59 ]}

コケイン症候群は、転写共役ヌクレオチド除去修復という修復プロセスに必要なタンパク質の欠陥が原因であり、この修復プロセスは、特に酸化DNA損傷など、転写を阻害する損傷を除去することができる。^{[ 60 ]}

これら3つの疾患に加えて、DNA修復に欠陥のある他のいくつかのヒト症候群も、早老症の特徴をいくつか示します。これらには、運動失調性毛細血管拡張症、ナイメーヘン染色体不安定症、色素性乾皮症のいくつかの亜型、毛髪硫黄欠乏症、ファンコニ貧血、ブルーム症候群、ロスムント・トムソン症候群などが含まれます。

ヒトの遺伝性症候群に加えて、DNA修復に遺伝的欠陥を持つ実験用マウスモデルは、早老や寿命の短縮といった特徴を示す。(例: ^{[ 61 ] [ 62 ] [ 63 ]} ) 特に、Ku70または Ku80 に欠陥のある変異マウス、あるいはKu70 と Ku80 の両方に欠陥のある二重変異マウスは、早期老化を示す。^{[ 64 ]} 3 つの変異マウス系統の平均寿命は、野生型対照の 108 週間と比較して、約 37 週間で互いに類似していた。 6 つの特定の老化の兆候を調べたところ、3 つの変異マウスは対照マウスと同じ老化の兆候を示したが、はるかに早い年齢で現れた。 変異マウスでは癌の発生率は増加しなかった。 Ku70とKu80はヘテロ二量体Kuタンパク質を形成し、DNA修復の非相同末端結合（NHEJ）経路に不可欠であり、DNA二本鎖切断の修復に活性を示す。このことから、NHEJは長寿の維持において重要な役割を果たしていると考えられる。

100歳以上の人（百寿者）の血液サンプルから樹立されたリンパ芽球様細胞株は、若い人（20～70歳）の細胞株よりもDNA修復タンパク質ポリ（ADP-リボース）ポリメラーゼ（PARP）の活性が有意に高い。 ^{[ 124 ]}百寿者のリンパ球細胞は、 H2O2_{による亜致死的な酸化DNA損傷後}^の修復機構をプライミングする能力とPARPの能力の両方において、若い人の細胞に典型的な特徴を持っている。^[ ₁₀ ^{] [ 125 ]}

百歳以上の高齢者のうち、認知機能障害が最も重度な人は、中心的なDNA修復酵素であるアプリン酸/アピリミジン酸（AP）エンドヌクレアーゼ1の活性が最も低い。 ^{[ 126 ]} APエンドヌクレアーゼIはDNA塩基除去修復経路で使用され、その主な役割はDNA中の損傷またはミスマッチしたヌクレオチドの修復である。

女性は加齢とともに生殖能力が低下し、閉経に至ります。この低下は卵胞数の減少と関連しています。妊娠中期にはヒトの卵巣に600万～700万個の卵母細胞が存在しますが、^{[ 127 ]}そのうち排卵するのは約500個（約0.05%）のみで、残りは失われます。卵巣予備能の低下は加齢とともに増加し、^{[ 128 ] [ 127 ]}約51歳までに予備能がほぼ完全に枯渇します。加齢とともに卵巣予備能と生殖能力が低下するにつれて、妊娠失敗や減数分裂エラーによる染色体異常の受精も並行して増加します。

BRCA1とBRCA2は相同組換え修復遺伝子です。卵母細胞の老化におけるATMを介したDNA二本鎖DNA切断（DSB）修復の低下 の役割は、 BRCA変異を持つ女性が卵巣刺激修復に対してより少ない卵母細胞を産生するという観察に基づいて、Kutluk Oktay医師（医学博士）によって最初に提唱されました。 ^{[ 129 ] [ 130 ] [ 131 ]}彼の研究室はこの仮説をさらに研究し、加齢に伴う卵巣予備能の低下の説明を提供しました。 ^{[ 132 ]}彼らは、女性が加齢するにつれて、原始卵胞のDNAに二本鎖切断が蓄積することを示しました。原始卵胞は、顆粒膜細胞の単層に囲まれた未成熟な一次卵母細胞です。卵母細胞には、通常、DNA二本鎖切断を正確に修復する酵素系が存在します。この修復システムは相同組換え修復と呼ばれ、減数分裂中に特に活発になります。Oktay研究室のTitusら^{[ 132 ]}は、相同組換え修復に必要な4つの主要なDNA修復遺伝子（ BRCA1、 MRE11、 Rad51、 ATM）の発現が卵母細胞で加齢とともに低下することも示しました。二本鎖損傷を修復する能力のこの加齢に伴う低下は、これらの損傷の蓄積を説明でき、それが卵巣予備能の低下に寄与していると考えられます。これはTuranとOktayによってさらに説明されています^{[ 133 ] 。}

DNA修復遺伝子BRCA1に遺伝性変異を持つ女性は早期閉経を迎える^{[ 134 ]。}これは、これらの女性では卵母細胞における自然発生的なDNA損傷の修復効率が低く、この非効率性が早期の生殖機能不全につながることを示唆している。約7万人の女性のゲノムデータが解析され、自然閉経年齢に関連するタンパク質コード変異が特定された^{[ 135 ]} 。パスウェイ解析により、特に減数分裂中に発現し、 BRCA1遺伝子の一般的なコード変異を含むDNA損傷応答遺伝子との主要な関連性が特定された。

心血管疾患の最も重要な危険因子は、暦年齢による加齢です。いくつかの研究グループは、DNA損傷が血管老化において重要な役割を果たしているという証拠を検討しました。 ^{[ 136 ] [ 137 ] [ 138 ]}

アテローム性動脈硬化プラークには血管平滑筋細胞、マクロファージ、内皮細胞が含まれており、これらの細胞には一般的な酸化DNA損傷である8-oxoGが蓄積することがわかっています。 ^{[ 139 ]}アテローム性動脈硬化プラークではDNA鎖切断も増加しており、DNA損傷とプラーク形成が関連付けられています。^{[ 139 ]}

ヒトの早老症であるウェルナー症候群（WS）は、いくつかのDNA修復プロセスで使用されるRecQヘリカーゼの遺伝的欠陥によって引き起こされます。WS患者は、冠動脈と大動脈にかなりの量の動脈硬化性プラークを発症します。^{[ 137 ]}これらの知見は、過剰な未修復DNA損傷と早老症および早期の動脈硬化性プラーク形成との関連性を示しています。

内因性の、自然発生的なDNA損傷は頻繁に起こり、ヒトにおいては1日平均約1万回の酸化損傷と、細胞周期あたり50回の二本鎖DNA切断が含まれる。

いくつかのレビュー^{[ 140 ] [ 141 ] [ 142 ]}は、メチル化酵素DNMT1が酸化DNA損傷部位にリクルートされるという証拠をまとめている。DNMT1のリクルートは、修復中に転写を阻害するために遺伝子のプロモーターでDNAメチル化を引き起こす。さらに、2018年のレビュー^{[ 140 ]}は、DNA二本鎖切断の修復中にDNMT1がリクルートされることを記述している。DNMT1の局在化は、組換え修復部位付近のDNAメチル化の増加をもたらし、修復された遺伝子の発現の変化と関連している。一般的に、修復に関連する過メチル化プロモーターは、DNA修復が完了すると元のメチル化レベルに戻る。しかし、これらのレビューは、エピジェネティック修飾因子の一時的なリクルートが、DNA修復完了後にその後の安定したエピジェネティック変化と遺伝子サイレンシングを引き起こす場合があることも示している。

ヒトおよびマウスのDNAでは、シトシンに続いてグアニン（CpG）が続くジヌクレオチドは最も頻度が低く、すべてのジヌクレオチドの1%未満を占めています（CG抑制を参照）。ほとんどのCpG部位では、シトシンがメチル化されて5-メチルシトシンが形成されます。CpG部位の記事で示されているように、哺乳類では、CpGシトシンの70%から80%がメチル化されています。しかし、脊椎動物には、約300～3,000塩基対の長さのCpGアイランドがあり、散在するDNA配列は、CpGに富むことで平均的なゲノムパターンから大きく逸脱しています。これらのCpGアイランドは主に非メチル化されています。^{[ 143 ]}ヒトでは、遺伝子の転写開始部位付近に位置するプロモーター（近位プロモーター）の約70%にCpGアイランドが含まれています（プロモーター内のCpGアイランドを参照）。 CpGアイランド内の当初非メチル化されていたCpG部位が大部分メチル化されると、関連する遺伝子の安定的なサイレンシングが引き起こされる。

ヒトの場合、成人期に達して以降の加齢に伴い、大部分のCpG配列は徐々にメチル化を失います（エピジェネティックドリフトと呼ばれます）。しかし、プロモーターを制御するCpGアイランドは、加齢とともにメチル化が増加する傾向があります。^{[ 144 ]}プロモーター領域のCpGアイランドにおけるメチル化の増加は年齢と相関しており、エピジェネティッククロックの作成に使用されています（エピジェネティッククロックの記事を参照）。

エピジェネティック時計と、DNA修復後に蓄積されるエピジェネティック変化の間には、何らかの関係がある可能性がある。加齢に伴って蓄積される修復されないDNA損傷と、CpGアイランドのメチル化の蓄積は、いずれもそれらが存在する遺伝子の発現を抑制し、タンパク質の発現を阻害し、老化表現型に寄与する。