Molecular Cell Biology · 8

主要なDNA損傷の種類；塩基脱アミノ化の修復（EM学生のみ）

The most important types of DNA damage; repair of base deamination (only for EM-students)

🧠 DNA損傷は常に「2本鎖のうち1本だけ」が傷つく——もう一方の鎖に正しい情報が残っているからこそ修復が可能になる。 この「相補鎖が正解を知っている」という原則が、塩基除去修復base excision repair塩基除去修復（base excision repair）base excision repair（塩基除去修復）からミスマッチ修復mismatch repair, MMRミスマッチ修復（mismatch repair, MMR）mismatch repair, MMR（ミスマッチ修復）（09-formation-and-repair-of-thymine-dimers-mismatch-repair参照）まで、DNA修復システム全体を貫くロジックである。二本鎖切断double-strand break二本鎖切断（double-strand break）double-strand break（二本鎖切断）だけはこの原則が使えないため、相同組換えhomologous recombination相同組換え（homologous recombination）homologous recombination（相同組換え）（homologous recombination）か非相同末端連結non-homologous end joining, NHEJ非相同末端連結（non-homologous end joining, NHEJ）non-homologous end joining, NHEJ（非相同末端連結）という全く異なる2つの解決策が必要になる。

DNA損傷とは

DNA損傷は2本鎖のうち一方の1つの塩基/ヌクレオチドが損傷し、もう一方の鎖は無傷のままである状態を指す。もう一方の鎖は元の正しい情報を保持しているため、DNA損傷は修復可能である。

DNA損傷の原因

環境因子：UV光、電離放射線ionizing radiation電離放射線（ionizing radiation）ionizing radiation（電離放射線）
化学的作用
複製中の自然発生spontaneous自然発生（spontaneous）spontaneous（自然発生）的過程
代謝過程：ROS（活性酸素種reactive oxygen species (ROS)活性酸素種（reactive oxygen species (ROS)）reactive oxygen species (ROS)（活性酸素種）、reactive oxygen species）——酸素を含み他の分子と容易に反応する不安定な分子。細胞内でROSが蓄積するとDNA・RNA・タンパク質の損傷、細胞死を招きうる

DNA損傷の分類

1. 自然加水分解

脱プリン化depurination脱プリン化（depurination）depurination（脱プリン化）：β-N-グリコシド結合glycosidic bondグリコシド結合（glycosidic bond）glycosidic bond（グリコシド結合）の切断によるプリン（A/G）の遊離。DNAは完全に安定ではなく、グリコシド結合glycosidic bondグリコシド結合（glycosidic bond）glycosidic bond（グリコシド結合）は自然に加水分解されうる——1日あたり約10,000箇所のプリン部位が脱プリン化depurination脱プリン化（depurination）depurination（脱プリン化）される。原因は熱・酸——塩基を欠いたデオキシリボースriboseリボース（ribose）ribose（リボース）-リン酸（APサイト）が残る。

脱アミノ化deamination脱アミノ化（deamination）deamination（脱アミノ化）：分子からアミノ基amino groupアミノ基（amino group）amino group（アミノ基）（NH₂）が除去される反応。

塩基	脱アミノ化deamination脱アミノ化（deamination）deamination（脱アミノ化）産物
アデニンadenineアデニン（adenine）adenine（アデニン）	ヒポキサンチンhypoxanthineヒポキサンチン（hypoxanthine）hypoxanthine（ヒポキサンチン）
グアニンguanineグアニン（guanine）guanine（グアニン）	キサンチンxanthineキサンチン（xanthine）xanthine（キサンチン）
シトシン	ウラシルuracilウラシル（uracil）uracil（ウラシル）

2. 塩基修飾

内因性・外因性因子extrinsic factor外因性因子（extrinsic factor）extrinsic factor（外因性因子）により塩基が修飾されうる。

種類	内容
メチル化	CH₃基の付加
グリコシル化glycosylationグリコシル化（glycosylation）glycosylation（グリコシル化）	糖分子の付加
アルキル化alkylationアルキル化（alkylation）alkylation（アルキル化）	アルキル基alkyl groupアルキル基（alkyl group）alkyl group（アルキル基）の付加
アリール化arylationアリール化（arylation）arylation（アリール化）	芳香環の付加

結果：複製時のエラー（変異）を引き起こしうる。

3. 架橋形成

DNAにおいては2つのヌクレオチド間の共有結合を指す。

種類	内容
鎖間架橋inter-strand crosslink鎖間架橋（inter-strand crosslink）inter-strand crosslink（鎖間架橋）	2本の異なるDNA鎖間の架橋
鎖内架橋intra-strand crosslink鎖内架橋（intra-strand crosslink）intra-strand crosslink（鎖内架橋）	同一DNA鎖内の架橋

鎖間架橋inter-strand crosslink鎖間架橋（inter-strand crosslink）inter-strand crosslink（鎖間架橋）はより有害——複製・転写を阻害し、染色体断裂rupture (tear)断裂（rupture (tear)）rupture (tear)（断裂）→アポトーシスを招く。増殖中の細胞に対する毒性が高いため、抗癌治療cancer therapy癌治療（cancer therapy）cancer therapy（癌治療）として利用される。

4. 二量体化

同一化合物の2分子が反応し付加体adduct付加体（adduct）adduct（付加体）を形成する反応。UV放射は隣接するチミンthymine, Tチミン（thymine, T）thymine, T（チミン）間にシクロブチル環cyclobutyl ringシクロブチル環（cyclobutyl ring）cyclobutyl ring（シクロブチル環）の形成を促進し、ピリミジン二量体（チミンダイマーthymine dimerチミンダイマー（thymine dimer）thymine dimer（チミンダイマー）、pyrimidine dimer、C-CまたはC-T二量体も生じうる）を形成する。DNA修復機能に欠陥のある人は日光に敏感で、皮膚癌skin cancer皮膚癌（skin cancer）skin cancer（皮膚癌）になりやすい（09-formation-and-repair-of-thymine-dimers-mismatch-repair参照）。

5. 骨格損傷

電離放射線ionizing radiation電離放射線（ionizing radiation）ionizing radiation（電離放射線）は高反応性のフリーラジカルfree radicalsフリーラジカル（free radicals）free radicals（フリーラジカル）を生成しDNAの結合を切断しうる。マスタードガスなどのアルキル化剤alkylating agentsアルキル化剤（alkylating agents）alkylating agents（アルキル化剤）や酸化ストレスoxidative stress酸化ストレス（oxidative stress）oxidative stress（酸化ストレス）もDNA骨格の切断を引き起こす。修復が困難で、染色体の一部の転座・欠失を生じうる。

6. インターカレーション

塩基対base pairing塩基対（base pairing）base pairing（塩基対）の間に薬剤自身を挿入する特殊な結合様式。DNAに構造変化conformational change構造変化（conformational change）conformational change（構造変化）をもたらし機能を停止させる（DNA鎖の切断、複製の阻害）。

⭐ p53は腫瘍抑制タンパク質でゲノムの守護者と呼ばれる。 DNA損傷が修正されるまでS期への移行を許さず、損傷数が過剰な場合はアポトーシス（細胞死）を誘導する。

DNA修復システムの分類

1. 複製完了前（複製中）：校正

変異を防ぐ第一の防衛線はDNAポリメラーゼ自体である（原核生物：全てのDNAポリメラーゼ、真核生物：δ・εのみ）。正しいヌクレオチドが伸長鎖の3′端に付加され続ける限り、ポリメラーゼ部位に留まる。

校正proofreading校正（proofreading）proofreading（校正）は3′-5′エキソヌクレアーゼ活性exonuclease activityエキソヌクレアーゼ活性（exonuclease activity）exonuclease activity（エキソヌクレアーゼ活性）に依存する
DNA合成中に誤った塩基が取り込まれると、新生鎖の3′ヌクレオチドと鋳型鎖の塩基対合base pairing塩基対合（base pairing）base pairing（塩基対合）が起こらない
その結果ポリメラーゼは一時停止し、伸長鎖の3′端はエキソヌクレアーゼexonucleaseエキソヌクレアーゼ（exonuclease）exonuclease（エキソヌクレアーゼ）部位へ転送され、誤対合synapsis対合（synapsis）synapsis（対合）塩基が除去される
3′端はポリメラーゼ部位へ戻され、この領域が正しくコピーされる

2. 複製後：DNA除去修復システム（一本鎖・二本鎖損傷）

校正proofreading校正（proofreading）proofreading（校正）に加え、細胞はコピーエラーや化学物質chemical substance化学物質（chemical substance）chemical substance（化学物質）・放射線への曝露による変異を防ぐその他のシステムを持つ。いずれも同様に機能する：損傷DNA鎖のセグメントを切除し、相補DNA鎖を鋳型としてDNAポリメラーゼとリガーゼligaseリガーゼ（ligase）ligase（リガーゼ）がギャップを埋める。

一本鎖損傷の修復系：

ミスマッチ修復mismatch repair, MMRミスマッチ修復（mismatch repair, MMR）mismatch repair, MMR（ミスマッチ修復）（09-formation-and-repair-of-thymine-dimers-mismatch-repair参照）
塩基除去修復base excision repair塩基除去修復（base excision repair）base excision repair（塩基除去修復）——本項で解説
ヌクレオチド除去修復nucleotide excision repair (NER)ヌクレオチド除去修復（nucleotide excision repair (NER)）nucleotide excision repair (NER)（ヌクレオチド除去修復）——塩基除去修復base excision repair塩基除去修復（base excision repair）base excision repair（塩基除去修復）とほぼ同様
直接修復direct repair直接修復（direct repair）direct repair（直接修復）

塩基除去修復base excision repair塩基除去修復（base excision repair）base excision repair（塩基除去修復）＝塩基脱アミノ化deamination脱アミノ化（deamination）deamination（脱アミノ化）の修復：

全ての細胞はDNAグリコシラーゼglycosylaseグリコシラーゼ（glycosylase）glycosylase（グリコシラーゼ）という酵素クラスを持ち、この特に頻度の高いDNA損傷を認識し、N-グリコシド結合glycosidic bondグリコシド結合（glycosidic bond）glycosidic bond（グリコシド結合）（塩基と糖の間の結合）を切断して損傷塩基を除去する。各DNAグリコシラーゼglycosylaseグリコシラーゼ（glycosylase）glycosylase（グリコシラーゼ）は一般に1種類の損傷に特異的である。

flowchart TD
  A["DNA<span class='jp-term jp-term-diagram' title='glycosylase'>グリコシラーゼ</span>が誤った塩基をらせん外へ反転"] --> B["糖-リン酸骨格から切り離す"]
  B --> C["APサイト（塩基欠失部位）が生成"]
  C --> D["AP<span class='jp-term jp-term-diagram' title='endonuclease'>エンドヌクレアーゼ</span>がデオキシ<span class='jp-term jp-term-diagram' title='ribose'>リボース</span>5'-リン酸を除去し新規ヌクレオチドに置換<br>（APサイトを含むDNA鎖を切断）"]
  D --> E["DNAポリメラーゼI（原核）／β（真核）がAPサイトから除去されたセグメントを新しいDNAで置換"]
  E --> F["DNA<span class='jp-term jp-term-diagram' title='ligase'>リガーゼ</span>が残ったニックを封鎖"]

塩基脱アミノ化の背景（点変異の最も頻度の高い原因の1つ）

脱アミノ化deamination脱アミノ化（deamination）deamination（脱アミノ化）（外環アミノ基amino groupアミノ基（amino group）amino group（アミノ基）の自然消失、spontaneous loss of exocyclic amino group）：

シトシン塩基→ウラシルuracilウラシル（uracil）uracil（ウラシル）へ変換
5-メチルシトシン→脱アミノ化deamination脱アミノ化（deamination）deamination（脱アミノ化）されるとチミンthymine, Tチミン（thymine, T）thymine, T（チミン）を形成

多くは自然発生spontaneous自然発生（spontaneous）spontaneous（自然発生）的過程だが、電離放射線ionizing radiation電離放射線（ionizing radiation）ionizing radiation（電離放射線）によっても起こりうる。これらの変化がDNA複製前に修正されなければ、DNA配列に永続的な変化が生じる——細胞はUまたはTを含む鎖を鋳型としてU-AまたはT-A塩基対base pairing塩基対（base pairing）base pairing（塩基対）を形成し、1回の複製後、一方の娘DNA分子は変異T-A塩基対base pairing塩基対（base pairing）base pairing（塩基対）を、他方は野生型C-G塩基対base pairing塩基対（base pairing）base pairing（塩基対）を持つことになる。

二本鎖損傷の修復

電離放射線ionizing radiation電離放射線（ionizing radiation）ionizing radiation（電離放射線）（X線・γ線）や抗癌薬によって生じるDNA二本鎖切断double-strand break二本鎖切断（double-strand break）double-strand break（二本鎖切断）。二本鎖の切断・再結合は染色体再配列を招き遺伝子機能に影響しうる（例：「ハイブリッドhybridハイブリッド（hybrid）hybrid（ハイブリッド）」遺伝子の形成、ある遺伝子のプロモーターが別の遺伝子近傍へ移動し発現量/発現細胞種を変化させる）。

二本鎖切断double-strand break二本鎖切断（double-strand break）double-strand break（二本鎖切断）の修復には2つのシステムが進化してきた：

系	機序
相同組換えhomologous recombination相同組換え（homologous recombination）homologous recombination（相同組換え）（homologous recombination）	類似した無傷DNA区間を鋳型として利用する。酵素が無傷鎖と損傷鎖を絡ませヌクレオチド配列を交換させ、欠けたギャップを埋めて2本の完全な二本鎖セグメントを完成させる
非相同末端連結non-homologous end joining, NHEJ非相同末端連結（non-homologous end joining, NHEJ）non-homologous end joining, NHEJ（非相同末端連結）	相同組換えhomologous recombination相同組換え（homologous recombination）homologous recombination（相同組換え）と異なり鋳型に依存しない。一連のタンパク質が数ヌクレオチドを削り取り、切断端を融合させる。正確性は低く遺伝子の混在・移動を招きうるが、姉妹DNAが利用できない場合に有用

まとめ

DNA損傷は常に2本鎖の一方のみに生じ、正常な相補鎖を鋳型として修復されうる——脱プリン化depurination脱プリン化（depurination）depurination（脱プリン化）・脱アミノ化deamination脱アミノ化（deamination）deamination（脱アミノ化）（自然加水分解spontaneous hydrolysis自然加水分解（spontaneous hydrolysis）spontaneous hydrolysis（自然加水分解））、塩基修飾modification of bases塩基修飾（modification of bases）modification of bases（塩基修飾）、架橋形成cross-link formation架橋形成（cross-link formation）cross-link formation（架橋形成）、二量体化dimerization二量体化（dimerization）dimerization（二量体化）、骨格損傷backbone damage骨格損傷（backbone damage）backbone damage（骨格損傷）、インターカレーションintercalationインターカレーション（intercalation）intercalation（インターカレーション）の6分類がある。
p53はDNA損傷を監視する腫瘍抑制タンパク質で、修復完了までS期移行を止め、損傷過多の場合はアポトーシスを誘導する。
修復系は複製中の校正proofreading校正（proofreading）proofreading（校正）（DNAポリメラーゼの3′-5′エキソヌクレアーゼ活性exonuclease activityエキソヌクレアーゼ活性（exonuclease activity）exonuclease activity（エキソヌクレアーゼ活性））と複製後の除去修復excision repair除去修復（excision repair）excision repair（除去修復）（ミスマッチ修復mismatch repair, MMRミスマッチ修復（mismatch repair, MMR）mismatch repair, MMR（ミスマッチ修復）・塩基除去修復base excision repair塩基除去修復（base excision repair）base excision repair（塩基除去修復）・ヌクレオチド除去修復nucleotide excision repair (NER)ヌクレオチド除去修復（nucleotide excision repair (NER)）nucleotide excision repair (NER)（ヌクレオチド除去修復）・直接修復direct repair直接修復（direct repair）direct repair（直接修復））に大別され、塩基脱アミノ化deamination脱アミノ化（deamination）deamination（脱アミノ化）はDNAグリコシラーゼglycosylaseグリコシラーゼ（glycosylase）glycosylase（グリコシラーゼ）→APエンドヌクレアーゼendonucleaseエンドヌクレアーゼ（endonuclease）endonuclease（エンドヌクレアーゼ）→DNAポリメラーゼ→DNAリガーゼligaseリガーゼ（ligase）ligase（リガーゼ）という塩基除去修復base excision repair塩基除去修復（base excision repair）base excision repair（塩基除去修復）の一連の流れで修復される。
二本鎖切断double-strand break二本鎖切断（double-strand break）double-strand break（二本鎖切断）は一本鎖損傷とは異なる原理を要し、鋳型を用いる相同組換えhomologous recombination相同組換え（homologous recombination）homologous recombination（相同組換え）と鋳型不要だが不正確な非相同末端連結non-homologous end joining, NHEJ非相同末端連結（non-homologous end joining, NHEJ）non-homologous end joining, NHEJ（非相同末端連結）という2つの独立した経路で修復される。