分子病変

分子損傷または点損傷は、DNA、RNA、タンパク質などの生物学的分子の構造の損傷です。この損傷により、正常な機能が低下したり、機能しなくなったりすることがありますが、まれに新しい機能が得られることもあります。 DNA の損傷は、らせんの化学構造の切断やその他の変化で構成され、最終的に転写を妨げる可能性があります。一方、タンパク質の損傷は、アミノ酸鎖の切断された結合と不適切な折り畳みの両方で構成されます。多くの核酸損傷は DNA と RNA に共通していますが、チミン二量体が DNA にのみ見られるなど、いくつかは DNA と RNA に特有のものです。損傷による永続的な損傷を防ぐために、全体的なものから特定のものまで、 いくつかの細胞修復メカニズムが存在します。

核酸損傷の原因は大きく分けて2つあり、内因性と外因性要因です。内因性要因、または内因性は、生物の内部で発生する結果的な状態を指します。これは、生物の外部から発生する外因性要因とは対照的です。内因性要因によって引き起こされるDNAおよびRNA損傷は、通常、外因性要因によって引き起こされる損傷よりも頻繁に発生します。^[1]

特定の DNA 損傷の内因性原因には、加水分解、酸化、アルキル化、 DNA 塩基の不一致、脱プリン化、脱ピリミジン化、二本鎖切断 (DSS)、シトシン脱アミノ化などの経路が含まれます。 DNA 損傷は、代謝プロセスを通じて、活性酸素種 (ROS)、反応性窒素種 (RNS)、反応性カルボニル種 (RCS)、脂質過酸化生成物、付加物、アルキル化剤などの特定の化合物が放出されることで自然に発生することもあります。 ROS は DNA 損傷の主要な内因性原因の 1 つであり、最も研究されている酸化 DNA 付加物は8-オキソ-dGです。形成されることが知られているその他の付加物には、エテノ、プロパノ、マロンジアルデヒド由来の DNA 付加物があります。 脂質過酸化から形成されるアルデヒドも、 DNA に対する別の脅威となります。^[2]「ダメージアップ」タンパク質（DDP）などのタンパク質は、膜貫通トランスポーターによる活性酸素の量の増加、レプリソーム結合による染色体の喪失、転写因子による複製の停止のいずれかによって、内因性DNA損傷を促進する可能性があります。^[3]特にRNA損傷の場合、最も豊富なタイプの内因性損傷には、酸化、アルキル化、塩素化が含まれます。^[4]貪食細胞は、感染症と戦うために次亜塩素酸（HOCl）、一酸化窒素（NO•）、ペルオキシナイトライト（ONOO−）などのラジカル種を生成し、多くの細胞タイプは一酸化窒素をシグナル分子として使用します。 ただし、これらのラジカル種は、RNA損傷を形成する経路を引き起こすこともあります。^[5]

紫外線、特にUVCやUVBなどの非電離性の短波長放射線は、 2つのチミン分子間の合成反応を開始することで直接DNA損傷を引き起こします。結果として生じる二量体は非常に安定しています。これらは切除修復によって除去できますが、紫外線による損傷が広範囲にわたると、DNA分子全体が分解され、細胞が死滅します。損傷がそれほど広範囲でない場合は、健康な細胞から前癌細胞または癌細胞が生成されます。^[6]

化学療法薬は、その設計上、DNA損傷を誘発し、急速に分裂する癌細胞を標的とします。^[7]しかし、これらの薬剤は病気の細胞と健康な細胞を区別することができず、正常な細胞に損傷を与えます。^[8]

アルキル化剤は、DNAを損傷することで細胞の有糸分裂を防ぐ化学療法薬の一種です。アルキル化剤は細胞周期のすべての段階で作用します。アルキル化剤は骨髄細胞を標的とするため、使用により白血病を引き起こす可能性があります。^[8]

発がん物質は、一本鎖切断、二本鎖切断、共有結合した化学的DNA付加物など、多くのDNA損傷を引き起こすことが知られています。タバコ製品は、今日最も一般的な発がん物質の1つです。^[9] DNAを損傷する発がん物質には、DNAとの物理的相互作用または間接的に活性酸素種を発生させることによって損傷を引き起こす可能性のあるアスベスト、^[10] DNA損傷修復経路を抑制する可能性のある過剰なニッケルへの曝露、^[11]食品に含まれるアフラトキシン、^[9]などがあります。

酸化障害は、活性酸素種（ROS）、活性窒素種（RNS）、細胞代謝のその他の副産物、および電離放射線や紫外線などの外因性因子によって引き起こされる障害の包括的なカテゴリーです。^[12]酸化呼吸の副産物は、細胞内で背景レベルの酸化障害を引き起こす反応性種の主な発生源です。 DNAとRNAは両方ともこれによって影響を受け、ヒトではDNAに比べてRNAの酸化障害が多いことがわかっています。 これは、細胞質RNAが電子伝達系に近いためと考えられます。^[13]酸化生成物は不安定ですぐに解消する可能性があるため、DNAとRNAを特徴とする既知の酸化障害の数は膨大です。ヒドロキシルラジカルと一重項酸素は、これらの障害の原因となる一般的な活性酸素種です。^[14] 8-オキソグアニン（8-oxoG）は、RNAとDNAの両方に見られる最も豊富でよく特徴付けられた酸化障害です。8-oxoGの蓄積はミトコンドリア内に深刻な損傷を引き起こす可能性があり、老化プロセスの重要な役割を担っていると考えられています。^{[15] RNAの酸化は}タンパク質の生成に直接影響を及ぼします。酸化障害の影響を受けたmRNAはリボソームによって認識されますが、リボソームは停止し機能不全に陥ります。その結果、タンパク質の発現が減少するか切断され、凝集と一般的な機能不全につながります。^[16]

• 脱プリン化は加水分解によって引き起こされ、核酸のプリン塩基の損失につながります。脱プリン化反応の遷移状態はRNAの方がエネルギーが大きいため、DNAの方がこの影響を受けやすいです。^[17]
• 互変異性化は、主にアミノ酸と核酸の挙動に関係する化学反応です。どちらも DNA と RNA と相関しています。DNA 塩基の互変異性化のプロセスは、DNA 複製中に発生します。標準の核酸塩基の間違った互変異性が誤って対合する能力は、DNA 複製の過程で突然変異を引き起こし、細胞に対して細胞毒性または変異原性となる可能性があります。これらの誤った対合は、遷移、転座、フレームシフト、欠失、および/または重複の突然変異を引き起こす可能性があります。^[18]互変異性化によって誘発される DNA 損傷に起因する疾患には、カーンズ・セイヤー症候群、脆弱 X 症候群、ケネディ病、ハンチントン病などがあります。^[18]
• シトシンの脱アミノ化は生理学的条件下で一般的に起こり、本質的にはシトシンの脱アミノ化である。このプロセスでは、DNA内に見られない塩基対であるウラシルが生成物として生成される。このプロセスは広範囲のDNA損傷を引き起こす。このプロセスの速度は、一本鎖DNAと比較して二本鎖DNAでは大幅に遅くなる。^[19]

一本鎖切断 (SSB) は、DNA 二重らせんの一方の鎖で 1 つのヌクレオチドが切断され、その時点で 5' 末端および/または 3' 末端が損傷すると発生します。SSB の一般的な原因の 1 つは、過酸化水素などの生理学的活性酸素種(ROS) による酸化攻撃です。H 2 O _{2 は、二本鎖切断 (DSB) よりも 3 倍頻繁に SSB を引き起こします。SSB が発生する他の方法に}は、酸化された糖の直接分解、または損傷した塩基の DNA 塩基除去修復 (BER) があります。さらに、細胞酵素が誤った活動を実行して、さまざまなメカニズムで SSB または DSB を引き起こすこともあります。その一例は、DNA トポイソメラーゼ 1 (TOP1) によって形成された切断複合体が、転写および複製中に一時的なニックの形成によって DNA を弛緩させる場合です。 TOP1は通常、切断後すぐにこの切断部を再封鎖しますが、これらの切断複合体はRNAまたはDNAポリメラーゼと衝突したり、他の損傷に近接したりして、TOP1関連SSBまたはTOP1関連DSBを引き起こす可能性があります。^[20]

DNA付加物は、化学発癌物質に結合するDNAの一部です。DNAに損傷を引き起こす付加物には、酸化修飾塩基、プロパノ付加物、エテノ付加物、MDA誘導付加物などがあります。^[2] 5‐ヒドロキシメチルウラシルは、チミンのメチル基の酸化が起こる酸化修飾塩基の例です。^[21]この付加物は、転写因子のDNAへの結合を妨げ、アポトーシスを引き起こしたり、欠失変異を引き起こしたりする可能性があります。^[21]プロパノ付加物は、脂質過酸化によって生成される種に由来します。たとえば、HNEはこのプロセスの主要な毒性生成物です。^[22]これは、細胞周期調節とアポトーシスに関与する遺伝子の発現を調節します。脂質過酸化からのアルデヒドの一部は、酸化反応によってエポキシアルデヒドに変換されます。^[23]これらのエポキシアルデヒドは、エテノ付加物を生成してDNAを損傷する可能性があります。このタイプのDNA損傷の増加は、酸化ストレスを引き起こす状態を示し、癌のリスク増加に関連することが知られています。^[24] マロンジアルデヒド（MDA）は、脂質過酸化から生じるもう1つの非常に有毒な生成物であり、プロスタグランジンの合成にも使用されます。MDAはDNAと反応してM1dG付加物を形成し、DNA損傷を引き起こします。^[2]

DNA や RNA の損傷を修復するシステムは数多くありますが、損傷がこれらの対策を逃れる可能性もあります。これにより突然変異や大規模なゲノム異常が生じ、細胞や生物の生存能力が脅かされる可能性があります。いくつかの癌は DNA 損傷の結果です。損傷を治癒する修復メカニズムでさえ、さらなる損傷を引き起こす可能性があります。たとえば、ミスマッチ修復の欠陥は不安定性を引き起こし、大腸癌や子宮内膜癌の原因となります。^[9]

ニューロンのDNA損傷は、アルツハイマー病、ハンチントン病、パーキンソン病などの神経変性疾患を引き起こす可能性があります。これらは、ニューロンが一般的にミトコンドリア呼吸と酸化還元種の生成を活発に行うことで核DNAを損傷する可能性があるために起こります。これらの細胞は損傷すると元に戻らないことが多いため、損傷は悲惨な結果につながります。DNA損傷とニューロンの関連から生じるその他の疾患には、脆弱X症候群、フリードライヒ運動失調症、脊髄小脳失調症などがありますが、これらに限定されるものではありません。^[9]

複製中、通常、DNAポリメラーゼは損傷部位を通過することができませんが、一部の細胞は損傷乗り越え合成（TLS）を可能にする特別なポリメラーゼを備えています。TLSポリメラーゼは損傷を通過したDNAの複製を可能にし、高頻度で突然変異を生成するリスクがあります。このプロセスを経た後に発生する一般的な突然変異は、点突然変異とフレームシフト突然変異です。いくつかの病気は、いくつかの癌や色素性乾皮症を含むこのプロセスの結果として発生します。^[25]

酸化的に損傷を受けたRNAの影響は、多くのヒト疾患を引き起こし、特に慢性変性と関連しています。このタイプの損傷は、筋萎縮性側索硬化症、^[9]、アルツハイマー病、パーキンソン病、レビー小体型認知症、およびいくつかのプリオン病などの多くの神経変性疾患で観察されています。^[26]このリストは急速に増えており、データはRNAの酸化が細胞崩壊の影響としてではなく、これらの疾患の発症初期に起こることを示唆していることに留意することが重要です。^[9] RNAおよびDNA損傷はどちらも2型糖尿病の発症に関連しています。^[9]

DNA が病変などにより損傷すると、損傷を認識して細胞の修復反応を誘発する複雑なシグナル伝達経路が活性化されます。他の病変修復メカニズムと比較して、DDR は最高レベルの修復であり、最も複雑な病変に使用されます。DDR はさまざまな経路で構成されており、最も一般的なのは DDR キナーゼ シグナル伝達カスケードです。これらはホスファチジルイノシトール 3 キナーゼ関連キナーゼ(PIKK) によって制御され、DSB の修復に最も関与する DNA 依存性タンパク質キナーゼ (DNA-PKcs) や毛細血管拡張性運動失調症変異 (ATM) から、より用途の広い Rad3 関連 (ATR) まで多岐にわたります。ATR はヒト細胞の生存に極めて重要ですが、ATM 変異は重篤な疾患である毛細血管拡張性運動失調症を引き起こし、神経変性、がん、免疫不全につながります。これら3つのDDRキナーゼはいずれもタンパク質間相互作用を介して損傷を認識し、キナーゼを損傷部位に局在させます。次に、さらなるタンパク質間相互作用と翻訳後修飾（PTM）によってキナーゼの活性化が完了し、一連のリン酸化イベントが発生します。DDRキナーゼは、PTM、クロマチンレベル、核レベルの3つのレベルで修復制御を実行します。^[27]

塩基除去修復（BER）は、DNAの損傷した塩基を除去する役割を担っています。このメカニズムは、DNAの二重らせん構造を歪ませない小さな塩基損傷を除去することに特化しており、より顕著な歪み損傷の修正に用いられるヌクレオチド除去修復経路とは対照的です。DNAグリコシラーゼは、欠陥のある塩基や間違った塩基を認識して除去することでBERを開始し、プリンやピリミジンを含まないAP部位を形成します。次にAPエンドヌクレアーゼがAP部位を切断し、一本鎖切断はショートパッチBERによって処理されて1つのヌクレオチドが置き換えられるか、ロングパッチBERによって処理されて2～10個の置換ヌクレオチドが作成されます。^[28]

一本鎖切断（SSB）は、迅速かつ適切に修復されなければ、遺伝的安定性と細胞の生存に深刻な脅威を与える可能性があるため、細胞は迅速かつ効率的なSSB修復（SSBR）メカニズムを開発しました。全体的なSSBRシステムはゲノム全体と間期にSSBを抽出しますが、S期に特異的なSSBRプロセスは、複製フォークでの相同組換えと連携して機能します。^[29]

二本鎖切断（DSB）は細胞死や癌を引き起こす可能性があるため、すべての生物にとって脅威です。DSBは放射線の結果として外因的に引き起こされることもありますし、複製のエラーや複製フォークによるDNA損傷との遭遇によって内因的に引き起こされることもあります。^[30] DSB修復は、これらのエラーを正しく修復するために、さまざまな経路とメカニズムを通じて行われます。

ヌクレオチド除去修復は、  化学療法薬、環境変異原、そして最も重要な紫外線によって引き起こされるDNA損傷からかさばった付加物を除去するために使用される主要なメカニズムの1つです。^[9]このメカニズムは、DNA部位からオリゴヌクレオチドを含む短い損傷を放出することによって機能し、その後、そのギャップがNERによって埋められ、修復されます。^{[9] NERは、} DNAらせん構造の変化に非常に敏感であるため、メカニズム自体の柔軟性により、構造的に無関係なさまざまなDNA損傷を認識します。 [ ^31]かさばった付加物がNERを誘発するようです。^[31] NERに関与するXPC-RAD23-CETN2ヘテロ三量体は、DNA損傷の認識に重要な役割を果たしています。^[32]ゲノム内の他の一般的な損傷に加えて、UV損傷DNA結合タンパク質複合体（UV-DDB）も、UV誘発DNA光損傷の認識と修復の両方で重要な役割を果たしています。^[32]

細胞内のミスマッチ修復（MMR）機構は、さまざまな経路を使用して複製中に発生する塩基のミスペアを修正します。DNA損傷部位で発生する塩基対スタッキングの変化がらせん構造に影響を及ぼすため、この機構はDNA損傷を特異的に標的とする高い親和性を持っています。^[33]これはMMRを誘発する多くのシグナルの1つであると考えられます。