哺乳類におけるDNA二本鎖切断時の非相同末端結合（NHEJ）と相同組換え（HR） 非相同末端結合 （NHEJ ）は、DNAの二本鎖切断を修復する経路です。相同テンプレートを必要とせずに切断末端が直接連結されるため、「非相同」と呼ばれます。これは、修復を誘導するために相同配列を必要とする 相同指向修復 （HDR）とは対照的です。NHEJは非分裂細胞と増殖細胞の両方で活性がありますが、HDRは非分裂細胞では容易に利用できません。[ 1 ] [ 2 ]
NHEJは通常、マイクロホモロジーと呼ばれる短い相同DNA配列によって誘導されます。これらのマイクロホモロジーは、二本鎖切断の末端 にある一本鎖突出部に存在することが多いです。突出部が完全に適合する場合、NHEJは通常、切断を正確に修復します。[ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] 腫瘍細胞の特徴である 転座 やテロメア 融合につながる可能性があります。[ 6 ]
NHEJの実装は、ほぼすべての生物システムに存在していたと考えられており、哺乳類細胞では二本鎖切断修復経路として最も一般的である。[ 7 ] しかし、出芽酵母 （Saccharomyces cerevisiae 相同組換えが優勢となる。
NHEJ経路が不活性化されると、二本鎖切断は、マイクロホモロジー媒介末端結合 （MMEJ）と呼ばれる、よりエラーを起こしやすい経路によって修復される。この経路では、末端切除によって 切断の両側に短いマイクロホモロジーが明らかになり、それらが整列して修復を誘導する。[ 8 ]
細菌と古細菌において 大腸菌 相同組換えに完全に依存している。NHEJタンパク質は、 枯草菌 菌 スメグマチス菌 [ 9 ] [ 10 ] Ku ホモ二量体と多機能リガーゼ/ポリメラーゼ/ヌクレアーゼLigD という2つのタンパク質のみに含まれる、非常にコンパクトなNHEJを利用している。[ 11 ] [ 10 ] [ 9 ] [ 12 ]
メタンセラ・パルディコラ の古細菌NHEJシステムはホモ二量体Kuを持つが、LigDの3つの機能はオペロンを共有する3つの単一ドメインタンパク質に分割されている。3つの遺伝子はすべてLigDの対応物とかなりの相同性を保持しており、ポリメラーゼはrNTPに対する選択性を保持している。[ 13 ] 水平遺伝子伝達が 分類群間でシステムをシャッフルしている。[ 14 ]
マイコバクテリウム・スメグマティス の関連マイコバクテリオファージ であるコーンドッグとオメガも、Kuホモログをコードしており、感染中にNHEJ経路を利用してゲノムを再環状化する。[ 15 ] 真核生物 で発見され、過去10年間で原核生物 でのみ同定された。
真核生物では 細菌とは対照的に、真核生物におけるNHEJは、以下のステップに関与する多数のタンパク質を利用する。
他の 酵母では、Sir2は 当初NHEJタンパク質として同定されたが、現在ではNej1の転写に必要であるためNHEJにのみ必要であることがわかっている。[ 30 ]
NHEJと熱不安定部位
熱不安定部位（HLS）の誘導は、電離放射線の特徴です。DNAクラスター損傷部位は、さまざまな種類のDNA損傷から構成されています。これらの損傷の中には、すぐにDSBにならないものもありますが、加熱後にDSBに変換されます。HLSは、生理的温度（37℃）ではDSBに進化しません。また、HLSと他の損傷との相互作用や、生細胞におけるその役割はまだ不明です。これらの部位の修復メカニズムは完全には解明されていません。NHEJは、細胞周期全体を通して主要なDNA修復経路です。DNA-PKcsタンパク質は、NHEJの中心にある重要な要素です。DNA-PKcsノックアウト細胞株を使用したり、DNA-PKcsを阻害したりしても、HLSの修復能力には影響しません。また、ダクトリシブ（NVP-BEZ235）阻害剤によってHRとNHEJの両方の修復経路を阻害すると、HLSの修復はHRとNHEJに依存しないことが示されました。これらの結果は、HLSの修復メカニズムがNHEJおよびHR経路とは独立していることを示している[ 31 ]。
テロメアにおいて テロメアは 通常、二本鎖切断として認識されないようにする「キャップ」によって保護されています。キャッピングタンパク質の喪失はテロメアの短縮とNHEJによる不適切な結合を引き起こし、二動原体染色体が生成され、その後有糸分裂中に引き裂かれます。逆説的ですが、一部のNHEJタンパク質はテロメアのキャッピングに関与しています。たとえば、Kuはテロメアに局在し、その欠失はテロメアの短縮につながります。[ 38 ]
機能不全の結果 いくつかのヒト症候群はNHEJの機能不全と関連している。[ 39 ] 機能低下変異は、それぞれLIG4症候群とXLF-SCIDを引き起こす。これらの症候群は、細胞の 放射線感受性 、小頭症 、V(D)J組換えの 欠陥による重症複合免疫不全症 （SCID）など、多くの特徴を共有している。Artemisの機能喪失変異もSCIDを引き起こすが、これらの患者はLIG4またはXLF変異に関連する神経学的欠陥を示さない。重症度の違いは、変異タンパク質の役割によって説明できるかもしれない。Artemisはヌクレアーゼであり、損傷末端を持つDSBの修復にのみ必要であると考えられているのに対し、DNAリガーゼIVとXLFはすべてのNHEJイベントに必要である。非相同末端結合に関与する遺伝子の変異は、運動失調性毛細血管拡張症 （ATM遺伝子）、ファンコニ貧血 （複数の遺伝子）、および遺伝性乳がん ・卵巣がん （BRCA1遺伝子）を引き起こす。
マウスでは 多くのNHEJ遺伝子がノックアウトされている。XRCC4またはLIG4の欠失はマウスの胚致死を引き起こし、NHEJが哺乳類の生存に不可欠であることを示している。対照的に、KuまたはDNA-PKcsを欠損したマウスは生存可能である。これはおそらく、これらの構成要素がなくても低レベルの末端結合が依然として起こり得るためであろう。[ 40 ] アポトーシス を示す。
エージング マウスのNHEJ効率を測定するシステムが開発されました。[ 41 ] 老化に寄与する可能 性があります。[ 42 ] [ 43 ]
ヒト細胞におけるNHEJに関与するタンパク質のリスト
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