DNA損傷について詳しく教えて！
DNAの損傷は、細胞内における正常な代謝の過程でも1細胞につき1日あたり50,000〜500,000回の頻度で発生します。DNA損傷の原因の分類としては、正常な代謝に伴って副生する活性酸素による攻撃といった細胞内に起因するもの、環境由来のもの、紫外線照射、X線あるいはγ線といった波長の短い電磁波の照射、ある種の植物毒素、タバコの煙からの炭化水素などの人造の変異原性物質、癌の化学療法あるいは放射線療法があります。損傷を受けたDNAの複製により、組み込まれた"不正"な塩基対は次の世代の細胞で固定され、変化したDNA配列として永久に保存されます。この配列の変化が突然変異の原因になります。
RAD52 RAD52は、出芽酵母と哺乳類細胞(マウスとヒト)の双方において、相同組換え修復(HRR)におけるRAD51の機能を媒介する。しかしながら、RAD52のHRRにおける機能は、酵母とヒトでは異なる。出芽酵母ではRad52タンパク質は単独で作用し、組換えの対合前の段階で既にRPAで覆われた一本鎖DNAへRad51タンパク質をロードする役割を果たす。
一方マウスとヒトでは、主にBRCA2が一本鎖DNA上でのRAD51の規則的な組み立てを媒介し、相同鎖の対合と鎖の侵入(strand invasion)の活性を有する形態が形成される。また、BRCA2はRAD51のdsDNAへの結合を低下させ、またssDNAからの解離を防ぐ。さらに、RAD51の4つのパラログ、RAD51B(英語版)(RAD51L1)、RAD51C(英語版)(RAD51L2)、RAD51D(英語版)(RAD51L3)、XRCC2(英語版)はBCDX2複合体と呼ばれる複合体を形成する。この複合体はRAD51の損傷部位へのリクルートと安定化に関与し、RAD51ヌクレオタンパク質フィラメントの組み立てまたは安定性を促進する作用を果たしているようである。しかしながら、BRCA2に変異が存在する場合には、ヒトのRAD52は一本鎖DNA上でのRAD51の組み立てを媒介することができ、より低効率であるものの、相同組換えによるDNA修復におけるBRCA2の代替として機能することができる。
さらに、ヒトのRAD52はERCC1とともに、エラーが起こりやすい相同組換え経路であるSSA(single-strand annealing)経路を促進する。この修復経路はエラーが起こりやすいものの、それ以外の方法では修復できないDNA損傷を抱えた細胞の生存には必要である可能性がある。
精子の運動性 精子のDNA損傷は不妊症の男性によく見られる。精子の運動性に異常のある男性の約31%は、高レベルの精子DNA断片化を有している。
クロマチンリモデリング クロマチンリモデリングはしっかりとパッケージされたゲノムに対して転写装置の動的なアクセスを可能にし、遺伝子発現調節において中心的な役割を果たしている。さらに、クロマチンリモデリング因子によるヌクレオソームの移動は、染色体の集合と分離、DNAの複製と修復、胚発生と多能性、細胞周期の進行など、いくつかの重要な生物学的過程に必要不可欠である。クロマチンリモデリングの調節異常によって、適切な細胞機能に必要とされるこうした重要なチェックポイントでの転写調節の喪失が引き起こされ、それによってがんを含むさまざまな疾患が引き起こされる。
クロマチン構造の緩和は、DNA損傷に対する最初期の細胞応答である。この緩和はPARP1によって開始されるようであり、PARP1のDNA損傷部位への蓄積はDNA損傷の発生後1.6秒以内に最大半値に達する。続いてADPリボース結合ドメインを持つクロマチンリモデリング因子ALC1がPARPの反応産物であるポリADPリボース鎖に迅速に結合する。ALC1のDNA損傷部位へのリクルートは損傷後10秒以内に最大値に達する。ALC1によるものと考えられるクロマチン構造の緩和は10秒以内に最大半値に達する。二本鎖切断部位でのPARP1の作用によって、2つのDNA修復酵素MRE11とNBS1がリクルートされる。これら2つのDNA修復酵素のリクルートは、MRE11に関しては13秒、NBS1に関しては28秒で最大半値に達する。
DNA二本鎖切断の形成後のクロマチン構造の緩和の他の過程には、H2AXのリン酸化型であるγH2AXが関与している。ヒストンバリアントH2AXは、ヒトのクロマチン中のH2Aヒストンの約10%を構成している。γH2AX(セリン139番残基がリン酸化されたH2AX)の蓄積はガンマ線照射による二本鎖切断の形成後20秒で検出され、1分で最大半値に達する。γH2AXを含むクロマチンの範囲はDNA二本鎖切断部位の周辺約 2 Mbpにわたる。
LIG1 DNAリガーゼIは、塩基除去修復(BER)経路の最終段階で、一本鎖DNA切断のライゲーションを行う。DNAの窒素含有塩基が活性酸素種、毒素、電離放射線などの環境の危険因子によって損傷することはよく起こる。BERは損傷した塩基の除去と置換を担う主要な修復経路である。リガーゼIはlong patch BER(LP-BER)経路に関与しており、一方リガーゼIIIはshort patch BER(single nucleotide BER、SN-BER)経路に関与している。LP-BERは4つの段階を経て進行する。まず、DNAグリコシラーゼ(英語版)がN-グリコシド結合を切断して損傷塩基を解離させ、プリンまたはピリミジン塩基が存在しないAP部位が作り出される。次の段階では、APエンドヌクレアーゼ(英語版)がAP部位の5'末端側にニックを形成し、AP部位はデオキシリボースリン酸(dRP)残基となる。LP-BER経路ではその後、DNAポリメラーゼが5'から3'方向へ新たな塩基をいくつか合成し、5'末端にdRPが存在するDNAフラップが形成される。このフラップはフラップエンドヌクレアーゼ(英語版)によって切断される。この切断によってニックを含むDNA鎖が残され、DNAリガーゼIによる検知とライゲーションが行われる。リガーゼIの作用は、LP-BER経路の他の酵素、特にAPエンドヌクレアーゼとDNAポリメラーゼによって促進される。
MDC1 TQXFドメインは、スレオニン-グルタミン、そして+3位にフェニルアラニンという配列(TQXFリピート)が4つ存在することによって特徴づけられる。ATMはこのドメインをリン酸化し、RNF8への結合を可能にする。このMDC1-RNF8間の共役は、RNF168、53BP1(英語版)、BRCA1など他のDNA損傷修復因子のリクルートを促進する。TQXFドメインはG2/M期チェックポイントを適切に通過するために重要であるが、MDC1とRNF8がどのようにチェックポイントを調節しているかは未解明である。
PSTドメインは、プロリン-セリン-スレオニンのリピート配列から構成される。このドメインは相同組換えや非相同末端結合によるDNA修復に関与しているが、損傷DNAの修復を促進する機構は不明である。
MDC1のBRCTドメインは、損傷クロマチンのγH2AXに直接結合する。BRCTドメインは、リンカー領域を介してC末端に突出したα/βフォールド構造を形成する。このドメインはγH2AX上のモチーフであるグルタミン酸、チロシンが続くリン酸化セリンに選択的に結合する。BRCTドメインは、サイクリンの分解をもたらすE3ユビキチンリガーゼである後期促進複合体(APC/C)にも結合する。また、TOP2A(英語版)に結合することで複製終結時のdecatenation checkpointの調節に関与する。このチェックポイントは、姉妹クロマチンが完全に分離するまで細胞周期をG2期に維持する。BRCTドメインはp53とも相互作用し、p53のトランス活性化ドメインを遮断することでp53を阻害するとともに、MDM2によるp53の不活性化を補助する。
日焼け なおヒトにおいては、日焼け止めクリームを使わない場合、午前10時から午後3時の日光を少なくとも週に2回、5分から30分の間、顔、手足、背中に浴びることで十分な量のビタミンDが体内で生合成される(夏では10-20分で十分だが、冬の場合、北海道では139分、茨城県では41分が必要になる)。
紫外線を受けること(天然、人工、問わず)が皮膚を老化させたり皮膚癌や白内障を発症、誘発すると指摘されている。
紫外線のうちのUVBは、皮膚がんを引き起こす。生物のDNAは吸収スペクトルが 250 nm 近辺に存在しており、紫外線が照射されると、皮膚等の細胞中のDNAを構成する分子は励起される。このDNA分子の励起は、DNA螺旋を構成する「はしご」を切り離し、隣接する塩基で、チミン-チミン、シトシン-シトシン等の二量体を形成する。これの二量体は、通常生成することはなく、DNA配列の混乱、複製の中断、ギャップの生成、複製のミスを発生させる。これは、がん等の突然変異を引き起こす。 紫外線による突然変異は、バクテリアにおいて簡単に観察される。これは、地球環境問題でオゾンホールやオゾン層の破壊が懸念される理由の1つである。
ATM (タンパク質) ATM(ataxia telangiectasia mutated)は、DNAの二本鎖切断によってリクルートされて活性化されるセリン/スレオニンキナーゼである。ATMは、DNA損傷チェックポイントの活性化を開始する重要なタンパク質をリン酸化し、細胞周期の停止、DNA修復やアポトーシスを引き起こす。p53、CHK2、BRCA1、NBS1、H2AXを含む、ATMの標的となるタンパク質のうちのいくつかはがん抑制因子である。
ATM遺伝子は1995年にYosef Shilohによって発見され、ATMという名称は、その遺伝子の変異(mutation)が毛細血管拡張性運動失調症(ataxia–telangiectasia)の原因であることに由来する。1998年にShilohの研究室とKastanの研究室は、ATMがDNA損傷によって活性が昂進するプロテインキナーゼであることをそれぞれ独自に示した。
O6-メチルグアニン-DNAメチルトランスフェラーゼ アルキル化変異原が選択的に修飾するのはグアニンのN7位であるが、DNAの主要な発がん性損傷となるのは6-O-アルキル化グアニンである。このDNA付加体(英語版)は修復タンパク質MGMTによってSN2機構を介して除去される。このタンパク質は、化学量論的反応によって損傷部位からアルキル基を除去し、アルキル化後に活性型酵素が再生されることはないため、厳密な意味で酵素ではない(自殺酵素(英語版)と呼ばれる)。タンパク質のメチル基受容残基はシステインである。
→ M G M T {\displaystyle \mathrm {\ {\xrightarrow {MGMT}}} }