ゲノム不安定性

細胞周期において、DNAは通常、複製中に最も脆弱になります。レプリソームは、結合タンパク質を持つ密に巻き付いたクロマチン、複製フォークの停止につながる可能性のある一本鎖および二本鎖切断などの障害物を乗り越えなければなりません。レプリソーム内の各タンパク質または酵素は、DNAの完全なコピーを得るために、その機能を十分に果たす必要があります。DNAポリメラーゼやDNAリガーゼなどのタンパク質の変異は、複製の障害につながり、自発的な染色体交換につながる可能性があります。^{[ 6 ]} Tel1やMec1（ヒトではATR、ATM）などのタンパク質は、一本鎖および二本鎖切断を検出し、Rmr3ヘリカーゼなどの因子をリクルートして複製フォークを安定化させ、その崩壊を防ぐことができます。Tel1、Mec1、およびRmr3ヘリカーゼの変異は、染色体組換えの著しい増加をもたらします。 ATRは、停止した複製フォークとUV損傷による一本鎖切断に特異的に反応し、ATMは二本鎖切断に直接反応します。これらのタンパク質は、CHK1とCHK2をリン酸化してDNA切断が修復されるまで後期複製起点の発火を阻害することで、有糸分裂への進行も阻止し、その結果、細胞をS期で停止させるシグナル伝達カスケードが発生します。^{[ 7 ]}一本鎖切断の場合、切断箇所まで複製が行われ、その後、もう一方の鎖がニックされて二本鎖切断が形成され、その後、姉妹染色分体をエラーのないテンプレートとして使用した切断誘導複製または相同組換えによって修復されます。^{[ 8 ]} S期チェックポイントに加えて、G1およびG2チェックポイントが存在し、UV損傷などの変異原によって引き起こされる可能性のある一時的なDNA損傷をチェックします。一例として、放射線によるDNA損傷が存在する場合に細胞をS/G2期後期で停止させる分裂酵母の遺伝子rad9が挙げられる。rad9に欠陥のある酵母細胞は放射線照射後も停止せず、細胞分裂を続け、急速に死滅した。一方、野生型rad9を持つ細胞はS/G2期後期で正常に停止し、生存を維持した。停止した細胞は、S/G2期での時間が長くなったことでDNA修復酵素が十分に機能し、生存することができた。^{[ 9 ]}

ゲノムには、前述のチェックポイント停止のように、DNA合成の阻害後にDNA配列にギャップや切断が生じやすいホットスポットが存在する。これらの部位は脆弱部位と呼ばれ、ほとんどの哺乳類のゲノムに自然に存在する一般的な場合もあれば、DNA反復配列の伸長などの突然変異の結果としてまれに発生する場合もある。まれな脆弱部位は、脆弱X知的障害症候群、筋強直性ジストロフィー、フリードリヒ運動失調症、ハンチントン病などの遺伝性疾患につながる可能性があり、これらのほとんどはDNA、RNA、またはタンパク質レベルでの反復配列の伸長によって引き起こされる。^{[ 10 ]}一見有害に見えるが、これらの一般的な脆弱部位は酵母や細菌まで保存されている。これらの遍在する部位は、トリヌクレオチド反復配列によって特徴付けられ、最も一般的なのはCGG、CAG、GAA、およびGCNである。これらのトリヌクレオチド反復配列はヘアピンを形成することがあり、複製を困難にする。複製ストレス（欠陥のある複製機構やさらなるDNA損傷など）下では、これらの脆弱な部位でDNAの切断やギャップが生じる可能性があります。姉妹染色分体を修復に使用することは万全なバックアップではありません。nおよびn+1リピートの周囲のDNA情報は実質的に同じであるため、コピー数の変動が生じるからです。例えば、周囲のDNAが両方ともCGGCGGCGG...であるため、16番目のCGGコピーが姉妹染色分体の13番目のCGGコピーにマッピングされ、最終的なDNA配列に3つの余分なCGGコピーが生じる可能性があります。

大腸菌と分裂酵母の両方において、転写部位は組換え率と突然変異率が高い傾向があります。コード鎖（転写されない鎖）は、鋳型鎖よりも多くの突然変異を蓄積します。これは、コード鎖が転写中に一本鎖となり、二本鎖DNAよりも化学的に不安定になるためです。転写の伸長中に、伸長中のRNAポリメラーゼの後ろで超らせん構造が生じ、一本鎖切断につながることがあります。コード鎖が一本鎖の場合、それ自体とハイブリダイズして、複製を阻害する可能性のあるDNA二次構造を形成することもあります。大腸菌では、フリードリヒ運動失調症に見られるようなGAAトリプレットを転写しようとすると、生成されたRNAと鋳型鎖が異なるリピート間でミスマッチループを形成し、コード鎖の相補的なセグメントが独自のループを形成して複製を阻害する可能性があります。^{[ 11 ]}さらに、DNAの複製とDNAの転写は時間的に独立しておらず、同時に起こり、複製フォークとRNAポリメラーゼ複合体の衝突を引き起こす可能性があります。S. cerevisiaeでは、Rrm3ヘリカーゼは酵母ゲノムの転写頻度の高い遺伝子に存在し、上記のように停止した複製フォークを安定化するために動員されます。これは、転写が複製の障害となり、ほどけた複製フォークと転写開始部位の間の短い距離にまたがるクロマチンにストレスが増大し、一本鎖DNA切断を引き起こす可能性があることを示唆しています。酵母では、タンパク質が転写単位の3'側に障壁として働き、DNA複製フォークのさらなる移動を阻止します。^{[ 12 ]}

ゲノムの一部では、多様性が生存に不可欠である。そのような場所の1つがIg遺伝子である。前B細胞では、この領域はすべてのV、D、Jセグメントから構成される。B細胞の発達中に、特定のV、D、Jセグメントが選択され、RAG1およびRAG2リコンビナーゼによって触媒されるスプライシングによって最終的な遺伝子が形成される。次に、活性化誘導シチジンデアミナーゼ（AID）がシチジンをウラシルに変換する。ウラシルは通常DNAには存在しないため、塩基が切除され、ニックが二本鎖切断に変換され、非相同末端結合（NHEJ）によって修復される。この手順は非常にエラーを起こしやすく、体細胞超変異につながる。このゲノム不安定性は、哺乳類が感染に対して生存することを保証する上で重要である。V 、D、J組換えにより、数百万のユニークなB細胞受容体が保証される。しかし、NHEJによるランダムな修復は、抗原に対してより高い親和性で結合できる受容体を作り出す可能性のある変異を導入する。^{[ 13 ]}

ヒトゲノムのタンパク質コード領域は、総称してエクソームと呼ばれ、全ゲノムのわずか1.5%を占めるにすぎない。^{[ 23 ]} 前述のように、ヒトではエクソームにおける変異は、通常、世代（親から子へ）あたり平均0.35個しかない。全ゲノム（非タンパク質コード領域を含む）では、ヒトの世代あたり約70個の新しい変異しかない。^{[ 24 ] [ 25 ]}

がんにおける突然変異の主な根本原因は、DNA損傷であると考えられる。 例えば、肺がんの場合、DNA損傷は、外因性の遺伝毒性タバコ煙に含まれる物質（アクロレイン、ホルムアルデヒド、アクリロニトリル、1,3-ブタジエン、アセトアルデヒド、エチレンオキシド、イソプレンなど）によって引き起こされる。^{[ 26 ]}内因性（代謝によって引き起こされる）DNA損傷も非常に頻繁に発生し、ヒト細胞のゲノムでは平均して1日に60,000回以上発生している（DNA損傷（自然発生）を参照）。外部および内因的に引き起こされた損傷は、不正確な損傷乗り越え合成または不正確なDNA修復（非相同末端結合など）によって突然変異に変換される可能性がある。さらに、DNA損傷は、DNA修復中にエピジェネティックな変化を引き起こすこともある。 ^{[ 27 ] [ 28 ] [ 29 ]}突然変異とエピジェネティック変化（エピ変異）の両方が癌の進行に寄与する可能性がある。

前述のように、がんのエクソーム（タンパク質コード領域）には、約 3 ～ 4 個のドライバー変異と 60 個のパッセンジャー変異が発生します。^{[ 18 ]}しかし、DNA の非タンパク質コード領域 では、はるかに多くの変異が発生します。乳がん組織サンプルの全ゲノムにおける DNA 配列変異の平均数は約 20,000 です。^{[ 30 ]}平均的なメラノーマ組織サンプル（メラノーマではエクソーム変異の頻度が高い^{[ 18 ]} ） では、DNA 配列変異の総数は約 80,000 です。^{[ 31 ]}

がんにおける全ゲノムの変異の頻度が高いことから、多くの場合、初期の発がん性変化はDNA修復の欠陥である可能性が示唆される。DNAミスマッチ修復^{[ 32 ] [ 33 ]}または相同組換えDNA修復[ ^{34 ]に欠陥のある細胞では、}変異率が大幅に増加する（時には100倍） 。また、DNA修復遺伝子BLMに欠陥のあるヒト^で は、染色体再編成と異数性が増加する^{[ 35 ]}。

DNA修復自体に欠陥があると、DNA損傷が蓄積し、その損傷の一部を乗り越えるエラーを起こしやすい損傷乗り越え合成によって突然変異が生じる可能性がある。さらに、蓄積したDNA損傷の修復が不完全だと、エピジェネティックな変化やエピ変異が生じる可能性がある。DNA修復遺伝子の突然変異やエピ変異自体は選択的有利性をもたらさないが、細胞が増殖上の有利性をもたらす別の突然変異やエピ変異を獲得すると、そのような修復欠陥が細胞内に付随する可能性がある。増殖上の有利性と1つ以上のDNA修復欠陥（非常に高い突然変異率を引き起こす）の両方を持つこのような細胞は、癌で頻繁に見られる2万から8万個ものゲノム突然変異を引き起こす可能性が高い。

体細胞では、DNA修復の欠陥は、DNA修復遺伝子の変異によって生じることもありますが、DNA修復遺伝子の発現のエピジェネティックな低下による場合の方がはるかに多いです。したがって、113例の大腸がんのシーケンスでは、DNA修復遺伝子MGMTに体細胞ミスセンス変異があったのはわずか4例でしたが、これらの癌の大部分は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ました。^{[ 36 ]}エピジェネティクスの 記事（「癌におけるDNA修復エピジェネティクス」のセクションを参照）に記載されている5つの報告では、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という証拠が示されています。

同様に、ミスマッチ修復欠損とDNA修復遺伝子PMS2発現欠損に分類された119例の大腸癌のうち、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メチル化によりペアリングパートナーMLH1が抑制されたためPMS2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）。^{[ 37 ]} PMS2発現の喪失の残りの10例は、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。^{[ 38 ]}

がんのエピジェネティクス（ 「DNA修復遺伝子のエピ変異の頻度」の項を参照）では、散発がんにおけるDNA修復遺伝子のエピジェネティックな欠陥の一部がリストされています。これには、乳がん、卵巣がん、大腸がん、頭頸部がんなどに存在するBRCA1、WRN、FANCB、FANCF、MGMT 、 MLH1、 MSH2 、MSH4、ERCC1、XPF、NEIL1、ATM遺伝子のエピジェネティックな欠陥の頻度が13～100%含まれています。評価された49個の大腸がんの大部分で、ERCC1、XPF、および/またはPMS2の発現における2つまたは3つのエピジェネティックな欠陥が同時に発生していることがわかりました。^{[ 39 ]}これらのDNA修復の欠陥の一部は、miRNA、DNA修復、およびがんというタイトルのMicroRNAの記事の項にまとめられているように、マイクロRNA のエピ変異によって引き起こされる可能性があります。

がんは通常、腫瘍抑制因子の破壊または癌遺伝子の調節異常によって発生します。B細胞が発達中にDNA切断を経験することを知ると、リンパ腫のゲノムに関する洞察が得られます。多くの種類のリンパ腫は染色体転座によって引き起こされ、これはDNAの切断から生じ、誤った結合につながります。バーキットリンパ腫では、転写因子をコードする癌遺伝子であるc-mycが免疫グロブリン遺伝子のプロモーターの後の位置に転座し、c-myc転写の調節異常を引き起こします。免疫グロブリンはリンパ球に必須であり、抗原の検出を高めるために高発現するため、c-mycも高発現し、細胞増殖に関与する標的の転写につながります。マントル細胞リンパ腫は、サイクリンD1が免疫グロブリン遺伝子座に融合することを特徴としています。サイクリンD1は腫瘍抑制因子であるRbを阻害し、腫瘍形成につながります。濾胞性リンパ腫は、免疫グロブリンプロモーターがBcl-2遺伝子に転座することによって生じ、アポトーシスを阻害するBcl-2タンパク質のレベルが上昇します。DNA損傷を受けたB細胞はもはやアポトーシスを起こさず、ドライバー遺伝子に影響を与える可能性のあるさらなる変異を引き起こし、腫瘍形成につながります。^{[ 40 ]}癌遺伝子内の転座の位置はAIDの標的領域の構造的特性を共有しており、癌遺伝子がAIDの潜在的な標的であり、 NHEJ修復を介して免疫グロブリン遺伝子座に転座した二本鎖切断を引き起こしたことを示唆しています。^{[ 41 ]}