Molecular Cell Biology · 9

チミンダイマーの形成と修復；ミスマッチ修復（EM学生のみ）

Formation and repair of thymine dimers; mismatch repair (only for EM-students)

疾患: 色素性乾皮症

🧠 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）修復とミスマッチ修復mismatch repair, MMRミスマッチ修復（mismatch repair, MMR）mismatch repair, MMR（ミスマッチ修復）は「除去して埋め直す」という同じ大枠を使うが、決定的に異なるのは“どちらの鎖を削るべきかをどう見分けるか”という点。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）は化学構造そのものが歪んでいるため見つけやすいが、複製直後のミスマッチmismatch (base-pair mismatch)ミスマッチ（mismatch (base-pair mismatch)）mismatch (base-pair mismatch)（ミスマッチ）はH結合が既に形成された「正常に見える」誤りであり、鋳型鎖と新生鎖を区別する目印（GATC配列のメチル化状態）がなければ、細胞はどちらを「正解」として修復すべきか判断できない。

チミンダイマー

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）とは、UV光による損傷の結果生じる、DNA中で隣接する2つのチミンthymine, Tチミン（thymine, T）thymine, T（チミン）塩基が異常に化学結合chemical bonding化学結合（chemical bonding）chemical bonding（化学結合）したものである。UV光は芳香環のC=C二重結合上で局在化した反応により共有結合を誘導する。

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）は複製・転写の両方を阻害する
DNAの正常な形状を局所的に歪めるこの化学修飾chemical modification化学修飾（chemical modification）chemical modification（化学修飾）塩基を修復するため、細胞は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）を用いる
この修復様式の鍵は、特定のタンパク質が二本鎖DNA分子の表面を滑るように移動し、二重らせんdouble helix二重らせん（double helix）double helix（二重らせん）の形状の膨らみや不規則性を探索する能力にある
この機構はチミンthymine, Tチミン（thymine, T）thymine, T（チミン）-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）を修復する。シトシン-シトシン（C-C）やシトシン-チミンthymine, Tチミン（thymine, T）thymine, T（チミン）（C-T）ダイマーも形成されうるが頻度は低い

チミンダイマーの修復：ヌクレオチド除去修復（原核・真核共通）

flowchart TD
  A["病変（<span class='jp-term jp-term-diagram' title='thymine, T'>チミン</span>-<span class='jp-term jp-term-diagram' title='thymine dimer'>チミンダイマー</span>）が23B・XP-Cタンパク質により認識される"] --> B["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='double helix'>二重らせん</span>が部分的に巻き戻される"]
  B --> C["特異的<span class='jp-term jp-term-diagram' title='endonuclease'>エンドヌクレアーゼ</span>が病変の両側で損傷鎖を切断"]
  C --> D["損傷塩基を含むDNA断片が遊離"]
  D --> E["DNAポリメラーゼI／β（複製と同様の様式で）がギャップを埋める"]
  E --> F["DNA<span class='jp-term jp-term-diagram' title='ligase'>リガーゼ</span>が残ったギャップを封鎖"]

⚠️ XPタンパク質（XP-C等）の変異は色素性乾皮症xeroderma pigmentosum色素性乾皮症（xeroderma pigmentosum）xeroderma pigmentosum（色素性乾皮症）を引き起こす——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）機構の欠陥により、UV誘発性のチミンダイマーthymine dimerチミンダイマー（thymine dimer）thymine dimer（チミンダイマー）が蓄積し、皮膚癌skin cancer皮膚癌（skin cancer）skin cancer（皮膚癌）のリスクが著しく上昇する。

直接修復

要点：塩基やヌクレオチドを除去せずに修復する。

DNA光回復酵素は吸収した光エネルギーを利用して損傷を可逆化する——UV光により活性化され、ピリミジン塩基pyrimidine baseピリミジン塩基（pyrimidine base）pyrimidine base（ピリミジン塩基）間の誤った共有結合を切断する

ミスマッチ修復

この過程は、複製中にDNAポリメラーゼによって偶発的に導入された塩基対ミスマッチbase-pair mismatch塩基対ミスマッチ（base-pair mismatch）base-pair mismatch（塩基対ミスマッチ）や、1〜数ヌクレオチドの挿入/欠失を排除する（頻繁な原因の1つはオキソ-エノール互変異性oxo-enol tautomerismエノール互変異性（oxo-enol tautomerism）oxo-enol tautomerism（エノール互変異性）、01-chemical-structure-of-nucleotides-primary-and-secondary-structure-of-nucleic参照）。

この種の損傷は複製「後」に生じるため塩基除去修復base excision repair塩基除去修復（base excision repair）base excision repair（塩基除去修復）機構は使えない——水素結合が既に形成されているからである。細胞にはこのための別の機構、鎖識別strand discrimination鎖識別（strand discrimination）strand discrimination（鎖識別）が必要となる。

ミスマッチmismatch (base-pair mismatch)ミスマッチ（mismatch (base-pair mismatch)）mismatch (base-pair mismatch)（ミスマッチ）は常に古い鎖（鋳型、template）の情報を反映するよう修正されるため、修復系は鋳型鎖と新生鎖を何らかの方法で識別しなければならない
鎖識別strand discrimination鎖識別（strand discrimination）strand discrimination（鎖識別）はDNAアデニンadenineアデニン（adenine）adenine（アデニン）メチラーゼの作用に基づく——これは全ての（5′）GATC配列内のアデニンadenineアデニン（adenine）adenine（アデニン）をメチル化する
鋳型鎖はメチル化されているが、新生鎖はまだメチル化されていない
新生鎖のGATC配列が非メチル化状態であることにより、新生鎖を鋳型鎖から区別できる
半メチル化GATC配列内の複製ミスマッチmismatch (base-pair mismatch)ミスマッチ（mismatch (base-pair mismatch)）mismatch (base-pair mismatch)（ミスマッチ）は、メチル化された鋳型鎖の情報に従って修復される
このメチル指向性directionality指向性（directionality）directionality（指向性）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）系は、半メチル化GATC配列から最大1000 bp離れたミスマッチmismatch (base-pair mismatch)ミスマッチ（mismatch (base-pair mismatch)）mismatch (base-pair mismatch)（ミスマッチ）も効率的に修復する

ミスマッチ修復の機序

flowchart TD
  A["新生鎖に<span class='jp-term jp-term-diagram' title='mismatch (base-pair mismatch)'>ミスマッチ</span>が生じる（新生鎖はまだ非メチル化＝半メチル化状態）"] --> B["MutSが<span class='jp-term jp-term-diagram' title='mismatch (base-pair mismatch)'>ミスマッチ</span>を認識"]
  B --> C["MutLがMutSに結合"]
  C --> D["MutHがGATC配列と-CH3（<span class='jp-term jp-term-diagram' title='methyl group'>メチル基</span>）を認識"]
  D --> E["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='endonuclease'>エンドヌクレアーゼ</span>が新生鎖の長いセグメント（約1000 bp、CH3からCH3の間）を除去"]
  E --> F["DNA<span class='jp-term jp-term-diagram' title='helicase'>ヘリカーゼ</span>がらせんを巻き戻す"]
  F --> G["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='exonuclease'>エキソヌクレアーゼ</span>が新生鎖の末端から<span class='jp-term jp-term-diagram' title='mismatch (base-pair mismatch)'>ミスマッチ</span>塩基を含む複数ヌクレオチドを切除"]
  G --> H["DNAポリメラーゼIII／δがギャップを埋める"]
  H --> I["DNA<span class='jp-term jp-term-diagram' title='ligase'>リガーゼ</span>が封鎖"]

⭐ エネルギー的に非常に不利な過程！ 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）とは対照的に、ミスマッチmismatch (base-pair mismatch)ミスマッチ（mismatch (base-pair mismatch)）mismatch (base-pair mismatch)（ミスマッチ）除去修復excision repair除去修復（excision repair）excision repair（除去修復）はDNA複製後に生じる。

真核生物では詳細未解明だが類似の機構が働くと考えられている：MSH（MutSホモログhomologホモログ（homolog）homolog（ホモログ））・MLH（MutLホモログhomologホモログ（homolog）homolog（ホモログ））タンパク質。

⚠️ 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）に関わるタンパク質の欠陥は特定の大腸腫瘍large intestine tumors大腸腫瘍（large intestine tumors）large intestine tumors（大腸腫瘍）を引き起こす：遺伝性非ポリポーシスpolyposisポリポーシス（polyposis）polyposis（ポリポーシス）大腸癌（HNPCC/リンチ症候群Lynch syndromeリンチ症候群（Lynch syndrome）Lynch syndrome（リンチ症候群））。

まとめ

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）はUV光による隣接チミンthymine, Tチミン（thymine, T）thymine, T（チミン）間の異常な共有結合で複製・転写を阻害し、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）（23B/XP-C認識→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）切断→ポリメラーゼ充填→リガーゼligaseリガーゼ（ligase）ligase（リガーゼ）封鎖）により修復される——XPタンパク質欠損は色素性乾皮症xeroderma pigmentosum色素性乾皮症（xeroderma pigmentosum）xeroderma pigmentosum（色素性乾皮症）を引き起こす。
原核生物のみが持つ直接修復direct repair直接修復（direct repair）direct repair（直接修復）（DNA光回復酵素）は、塩基・ヌクレオチドを除去せずに損傷を可逆化する点が特徴的。
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）は複製後に生じたエラーを対象とし、GATC配列のメチル化状態（鋳型鎖＝メチル化、新生鎖＝非メチル化）を手がかりに鎖識別strand discrimination鎖識別（strand discrimination）strand discrimination（鎖識別）を行い、MutS-MutL-MutH複合体を介して新生鎖を除去・再合成する——エネルギー的に非常にコストの高い過程である。
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）系の欠陥は遺伝性非ポリポーシス大腸癌hereditary nonpolyposis colorectal cancer (HNPCC)遺伝性非ポリポーシス大腸癌（hereditary nonpolyposis colorectal cancer (HNPCC)）hereditary nonpolyposis colorectal cancer (HNPCC)（遺伝性非ポリポーシス大腸癌）（リンチ症候群Lynch syndromeリンチ症候群（Lynch syndrome）Lynch syndrome（リンチ症候群））の原因となる。