DNAミスマッチ修復

MutS ₂二量体は結合するとDNA二重らせんを曲げ、約20塩基対を覆い隠す。弱いATPase活性を持ち、ATPの結合によって分子表面に三次構造が形成される。MutSの結晶構造解析により、極めて非対称な構造であることが明らかになった。活性型は二量体であるが、ミスマッチ部位と相互作用するのは2つの半分のうちの1つだけである。

真核生物では、MutSホモログは2つの主要なヘテロ二量体、Msh2 /Msh6（MutSα）とMsh2 /Msh3（MutSβ）を形成する。MutSα経路は主に塩基置換と小ループミスマッチ修復に関与する。MutSβ経路も小ループ修復に関与するが、大ループ（約10ヌクレオチドのループ）修復にも関与する。ただし、MutSβは塩基置換を修復しない。

MutLは弱いATPase活性も持ち（移動にATPを利用する）、MutSおよびMutHと複合体を形成することで、DNA上のMutSの結合部位を増加させる。

しかし、UvrDのプロセス性（酵素が解離する前にDNAに沿って移動できる距離）はわずか約40～50 bpです。MutHによって作られたニックとミスマッチ間の距離は平均約600 bpにもなるため、別のUvrDがロードされない場合、ほどかれた部分は相補鎖に再アニーリングすることができ、プロセスが最初からやり直されます。しかし、MutLの助けがあると、 UvrDのロード速度が大幅に増加します。個々のUvrD分子のプロセス性（およびATP利用）は同じままですが、DNAへの全体的な影響は著しく増大します。各UvrDが40～50 bpのDNAをほどき、解離し、すぐに別のUvrDに置き換えられてプロセスが繰り返されるため、DNAが再アニーリングする機会はありません。これにより、DNAの大きな部分がエキソヌクレアーゼ消化にさらされ、誤ったDNAの迅速な切除（および後の置換）が可能になります。

真核生物には、MLH1、MLH2、MLH3、PMS1、PMS2と命名された5つのMutLホモログが存在する。これらはヘテロ二量体を形成し、大腸菌のMutLと同様の働きをする。原核生物のMutLのヒトホモログは、MutLα、MutLβ、MutLγと呼ばれる3つの複合体を形成する。MutLα複合体はMLH1とPMS2サブユニットから構成され、MutLβヘテロ二量体はMLH1とPMS1から構成され、MutLγはMLH1とMLH3から構成される。MutLαは、ミスマッチやその他の必要なタンパク質であるMutSαとPCNAによって活性化されると、娘鎖に鎖切断を導入するエンドヌクレアーゼとして機能する。これらの鎖切断は、ミスマッチDNAを除去するエキソヌクレアーゼ活性の入り口となる。ミスマッチ修復におけるMutLβとMutLγの役割については、まだ十分に解明されていない。

MutHは非常に弱いエンドヌクレアーゼで、MutL（それ自体はMutSに結合している）に結合すると活性化される。非メチル化DNAとヘミメチル化DNAの非メチル化鎖を切断するが、完全にメチル化されたDNAは切断しない。実験により、どちらの鎖もメチル化されていない場合、ミスマッチ修復はランダムであることが示されている。これらの挙動から、MutHがミスマッチを含む鎖を決定するという仮説が提唱された。MutHには真核生物の相同体は存在しない。そのエンドヌクレアーゼ機能は、5'-3'エキソヌクレアーゼ活性が特殊化されたMutL相同体によって担われている。真核生物において新たに合成された娘鎖からミスマッチを除去する際の鎖バイアスは、複製中に新たに生成された鎖中の岡崎フラグメントの遊離3'末端によってもたらされる可能性がある。

PCNAとβスライディングクランプは、それぞれMutSα/βとMutLと結合する。初期の報告では、PCNA-MutSα複合体がミスマッチ認識を増強する可能性が示唆されていたが^{[ 6 ]} 、最近の研究では^{[ 7 ]}、PCNAの存在下または非存在下でMutSαのミスマッチに対する親和性に明らかな変化はないことが実証されている。さらに、試験管内でPCNAと相互作用できないMutSαの変異体は、野生型に近いレベルでミスマッチ認識とミスマッチ切除を実行する能力を示す。このような変異体は、5'鎖切断によって誘導される修復反応に欠陥があり、MutSαが反応の切除後の段階で機能することを初めて示唆している。

Mutタンパク質のヒト相同体の変異はゲノムの安定性に影響を与え、その結果、一部のヒト癌に関与するマイクロサテライト不安定性（MSI）が生じる可能性があります。具体的には、遺伝性非ポリポーシス大腸癌（ HNPCCまたはリンチ症候群）は、それぞれMutSおよびMutL相同体であるMSH2およびMLH1をコードする遺伝子の有害な生殖細胞系列変異に起因し、これらの遺伝子は腫瘍抑制遺伝子に分類されます。HNPCCのサブタイプの1つであるMuir-Torre症候群（MTS）は、皮膚腫瘍と関連しています。MMR遺伝子の両方の遺伝的コピー（対立遺伝子）に有害な遺伝子変異があると、非常にまれで重篤な状態であるミスマッチ修復癌症候群（または先天性ミスマッチ修復欠損症、CMMR-D）が生じ、若年期に多発性の腫瘍、多くの場合結腸腫瘍および脳腫瘍として現れます。^{[ 8 ]}

DNA修復欠損を伴う散発性癌では、DNA修復遺伝子の変異はまれですが、代わりにDNA修復遺伝子の発現を阻害するプロモーターメチル化などのエピジェネティックな変化が生じる傾向があります。 ^{[ 9 ]} 大腸癌の約13%はDNAミスマッチ修復に欠損があり、これは一般的にMLH1の喪失（9.8%）によるものですが、MSH2、MSH6、またはPMS2の喪失（いずれも1.5%以下）による場合もあります。^{[ 10 ]} MLH1欠損を伴う散発性大腸癌のほとんどでは、欠損はMLH1プロモーターのメチル化によるものでした。^{[ 10 ]}他の癌種ではMLH1の喪失頻度が高く（下の表を参照）、これもまた主にMLH1遺伝子 のプロモーターのメチル化によるものです。 MMR欠損の根底にある別のエピジェネティックメカニズムには、マイクロRNAの過剰発現が関与している可能性があり、例えば、miR-155レベルは結腸直腸癌におけるMLH1またはMSH2の発現と逆相関している。^{[ 11 ]}

フィールド欠損（フィールド発癌）とは、エピジェネティックまたは遺伝的変化によって前処理され、癌発生の素因となる上皮領域のことである。Rubin が指摘しているように、「変異表現型ヒト大腸腫瘍で発見された体細胞変異の 80% 以上が、最終的なクローン増殖の開始前に発生しているという証拠がある」^{[ 20 ] [ 21 ]}。同様に、Vogelstein ら^{[ 22 ]}は、腫瘍で同定された体細胞変異の半分以上が、一見正常な細胞の成長中の前腫瘍期（フィールド欠損）で発生したことを指摘している。

腫瘍周囲のフィールド欠損（組織学的に正常な組織）では、MLH1の欠損がよく見られました（上の表を参照）。エピジェネティックにサイレンシングされた、あるいは変異したMLH1は、幹細胞に選択的優位性を与える可能性は低いものの、変異率の上昇を引き起こし、変異した遺伝子のうち1つ以上が細胞に選択的優位性をもたらす可能性があります。その後、欠損したMLH1遺伝子は、変異した幹細胞がクローンを増殖させる際に、選択的にほぼ中立なパッセンジャー（ヒッチハイカー）遺伝子として運ばれる可能性があります。エピジェネティックに抑制されたMLH1を持つクローンが継続的に存在すると、さらなる変異が生じ続け、その一部が腫瘍を形成する可能性があります。

MMRおよびミスマッチ修復変異は、抗PD1に対する反応者を調べた研究において、免疫チェックポイント阻害薬の有効性と関連していることが最初に観察された。^{[ 23 ]} MSI陽性と抗PD1に対する良好な反応との関連性は、その後、前向き臨床試験で検証され、FDAによって承認された。^{[ 24 ]}

ヒトでは、7つのDNAミスマッチ修復（MMR）タンパク質（MLH1、MLH3、MSH2、MSH3、MSH6、PMS1、PMS2）が協調して一連のステップで働き、DNAミスマッチの修復を開始します。^{[ 25 ]} さらに、Exo1依存性およびExo1非依存性のMMRサブパスウェイがあります。^{[ 26 ]}

ヒトにおけるミスマッチ修復（MMR遺伝子による開始後）に関与するその他の遺伝子産物には、DNAポリメラーゼデルタ、PCNA、RPA、HMGB1、RFC、DNAリガーゼI、ヒストンおよびクロマチン修飾因子が含まれる。^{[ 27 ] [ 28 ]}

特定の状況下では、MMR経路はエラーを起こしやすいDNAポリメラーゼη（POLH）をリクルートする可能性がある。これは、Bリンパ球における体細胞超変異の際に起こり、POLHは抗体遺伝子に遺伝的変異を導入するために使用される。^{[ 29 ]}しかし、このエラーを起こしやすいMMR経路は、遺伝毒性物質に曝露されると他の種類のヒト細胞でも活性化される可能性があり^{[ 30 ]}、実際、様々なヒト癌で広く活性化され、POLH活性の特徴を示す変異を引き起こす。^{[ 31 ]}

ミスマッチやインデルを認識して修復することは細胞にとって重要です。なぜなら、それができないとマイクロサテライト不安定性（MSI）や自然突然変異率の上昇（突然変異表現型）につながるからです。他の癌種と比較すると、MMR欠損（MSI）癌は突然変異の頻度が非常に高く、紫外線や突然変異誘発性化学物質への多量の曝露によって引き起こされるメラノーマや肺癌^{[ 32 ]に近いものです。}

非常に高い変異負荷に加えて、MMR欠損はヒトゲノム全体にわたる体細胞変異の異常な分布をもたらします。これは、MMRが遺伝子に富む早期複製ユークロマチン領域を優先的に保護することを示唆しています。^{[ 33 ]}対照的に、遺伝子に乏しく、後期複製ヘテロクロマチンゲノム領域は、多くのヒト腫瘍で高い変異率を示します。^{[ 34 ]}

活性クロマチンのエピジェネティックマークであるヒストン修飾H3K36me3は、MSH2-MSH6（hMutSα）複合体をリクルートする能力を持つ。^{[ 35 ]}一貫して、H3K36me3レベルが高いヒトゲノム領域では、MMR活性による変異の蓄積が少ない。^{[ 31 ]}

MMRの欠如は、他のDNA修復遺伝子の喪失と協調して起こることが多い。^{[ 9 ]}例えば、MMR遺伝子MLH1とMLH3、および他の11個のDNA修復遺伝子（MGMTや多くのNER経路遺伝子など）は、正常脳組織とは対照的に、低悪性度および高悪性度の星状細胞腫で有意に下方制御されていた。 ^{[ 36 ]} さらに、135個の胃癌検体ではMLH1とMGMTの発現が密接に相関しており、腫瘍の進行中にMLH1とMGMTの喪失が同期して加速しているように見えた。^{[ 37 ]}

複数のDNA修復遺伝子の発現不全は癌でよく見られ、^{[ 9 ]}癌で通常見られる数千の変異に寄与している可能性がある（癌における変異頻度を参照）。