Molecular Cell Biology · 51

細胞周期におけるDNA損傷とDNA複製完了を検知する分子センサー

Molecular sensors detecting DNA damage and completion of DNA replication during the cell cycle

応用トピック: がん治療における放射線療法放射線療法の物理・化学・生物学的基礎同時化学放射線療法の基礎

🧠 この経路全体は「DNA損傷を見つけたら即座に周期を止め、修復を試み、無理なら死なせる」という1つの原則CONCEPT原則（CONCEPT）CONCEPT（原則）の実装にすぎない。 ATR（一本鎖DNAsingle-stranded DNA一本鎖DNA（single-stranded DNA）single-stranded DNA（一本鎖DNA）検知）とATM（二本鎖切断double-strand break二本鎖切断（double-strand break）double-strand break（二本鎖切断）検知）という2つのセンサーがChk1/Chk2を起動し、Chk1/2はCdc25を潰しWee1を起こすことでCdkを二重に封じ込める——同時にp53を安定化させ、p53が49-regulation-of-the-cell-cycle-in-the-g1-phase-transition-to-s-phase・50-regulation-of-the-cell-cycle-in-the-g2-and-m-phasesで見たG1/SおよびG2/M両方のCdk-サイクリン複合体をp21を介して同時に停止させる。p53が普段は「不安定で少量」なのは、Mdm2という自分専用の処刑人に絶えず狙われているからであり、DNA損傷はこの処刑人との結合を断ち切ることでp53を「生かす」。

DNA損傷と細胞周期

DNA損傷は細胞周期に対して最も重要な影響の1つを持ち、DNA中の自発的な化学反応chemical reaction化学反応（chemical reaction）chemical reaction（化学反応）の結果として、あるいはDNA複製におけるエラー、放射線や特定の化学物質chemical substance化学物質（chemical substance）chemical substance（化学物質）への曝露の結果として生じうる。

遺伝物質hereditary material遺伝物質（hereditary material）hereditary material（遺伝物質）の複製が完全かつ正確であることは不可欠である。もし細胞がDNAの複製が不完全なまま、あるいは損傷したまま有糸分裂に入ると、遺伝的変化が生じる。これらの変化は細胞死につながることもあれば、多くの場合、制御されない細胞成長と分裂をもたらす遺伝的変化につながる→最終的にがん。

⭐ 概念： DNA損傷が生じる→ただちに細胞周期を停止する→損傷の修復を試みる→修復に失敗した場合、細胞は死ななければならない

ATR/Chk1とATM/Chk2キナーゼ

DNA損傷は、プロテインキナーゼAprotein kinase A (PKA)プロテインキナーゼA（protein kinase A (PKA)）protein kinase A (PKA)（プロテインキナーゼA）TRとATMを活性化することでシグナル伝達経路signal transduction pathwayシグナル伝達経路（signal transduction pathway）signal transduction pathway（シグナル伝達経路）を開始する。これらは損傷部位に結合し、様々な標的タンパク質をリン酸化する：

ATRは一本鎖DNAsingle-stranded DNA一本鎖DNA（single-stranded DNA）single-stranded DNA（一本鎖DNA）により活性化され、その後Chk1（チェックポイントcheckpointチェックポイント（checkpoint）checkpoint（チェックポイント）キナーゼ1）を活性化する
ATMは二本鎖DNA切断により活性化され、その後Chk2（チェックポイントcheckpointチェックポイント（checkpoint）checkpoint（チェックポイント）キナーゼ2）を活性化する
Chk1とChk2はCdc25をリン酸化・阻害し、Cdc25がCdkを脱リン酸化dephosphorylation脱リン酸化（dephosphorylation）dephosphorylation（脱リン酸化）・活性化するのを防ぐ→Cdc25は分解され、複製が完了し全てのDNA損傷が修復されるまでCdkは活性化されない
Chk1+2はまたWee1をリン酸化・活性化し、これがCdkをリン酸化・不活性化する→複製が進行中である間、あるいはDNAに損傷が含まれる間、Cdkは阻害されたままである

→ ATM、ATR、Chk1+2はその後p53をリン酸化により活性化する。

flowchart TD
  A["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='single-stranded DNA'>一本鎖DNA</span>損傷"] --> B["ATR活性化"]
  C["二本鎖DNA切断"] --> D["ATM活性化"]
  B --> E["Chk1活性化"]
  D --> F["Chk2活性化"]
  E --> G["Cdc25のリン酸化・阻害＋分解"]
  F --> G
  E --> H["Wee1のリン酸化・活性化"]
  F --> H
  H --> I["Cdkの阻害性リン酸化"]
  G --> J["Cdk活性化なし＝<span class='jp-term jp-term-diagram' title='cell cycle arrest'>細胞周期停止</span>"]
  I --> J
  E --> K["p53のリン酸化・活性化"]
  F --> K

p53

p53は腫瘍抑制タンパク質として知られる——その正常な機能はDNA損傷がある場合に細胞増殖を制限することである。

損傷のない細胞では、p53は非常に不安定であり、極めて低濃度で存在する。これは主に、p53が別のタンパク質Mdm2と相互作用するためであり、Mdm2はp53をプロテアソームによる分解の標的とするユビキチンリガーゼubiquitin ligaseユビキチンリガーゼ（ubiquitin ligase）ubiquitin ligase（ユビキチンリガーゼ）として働く
DNA損傷後のp53のリン酸化（Chk2により媒介される）はMdm2への結合を減少させる
これによりp53の分解が減少し、細胞内のp53濃度が顕著に増加する結果となる。加えて、p53が遺伝子転写を刺激する能力も増大する

ATM、ATR、Chk1+2によりp53がリン酸化・活性化されると、このリン酸化はp53にいくつかの修飾を引き起こし、DNA損傷に対処する遺伝子の転写を活性化する能力を高める：

ユビキチン化ubiquitinationユビキチン化（ubiquitination）ubiquitination（ユビキチン化）を妨げる（必要な時に利用できるように）
アセチル化を促進する（DNAを転写にとってよりアクセス可能にするため）
核局在化シグナルnuclear localization signal (NLS)核局在化シグナル（nuclear localization signal (NLS)）nuclear localization signal (NLS)（核局在化シグナル）を露出させる（核へ入れるように）
核外輸送nuclear export核外輸送（nuclear export）nuclear export（核外輸送）シグナルを隠す

活性型のp53タンパク質は、安定なDNA結合性のホモ四量体tetramer四量体（tetramer）tetramer（四量体）である。その共活性化因子co-activator共活性化因子（co-activator）co-activator（共活性化因子）はp300——ヒストンアセチル基転移酵素histone acetyltransferase (HAT)ヒストンアセチル基転移酵素（histone acetyltransferase (HAT)）histone acetyltransferase (HAT)（ヒストンアセチル基転移酵素）——である。p53はこれにより、ストレス（DNA損傷）への応答として細胞周期停止cell cycle arrest細胞周期停止（cell cycle arrest）cell cycle arrest（細胞周期停止）・アポトーシス誘導apoptosis inductionアポトーシス誘導（apoptosis induction）apoptosis induction（アポトーシス誘導）・DNA修復増強に必要な遺伝子を転写できるようになる。

G1期とS期におけるp53の活性化

ストレス、DNA損傷、オンコジーンoncogeneオンコジーン（oncogene）oncogene（オンコジーン）の侵襲、ウイルス感染による活性化 → ATM、ATR、Chk1+2 → p53活性化とCdc25分解

p53はp21（CKI——Cdk阻害タンパク質）を誘導する。これはCdk（4,6）-サイクリンDcyclin DサイクリンD（cyclin D）cyclin D（サイクリンD）（G1 Cdk）、Cdk（2）-サイクリンE（G1/S Cdk）、Cdk（2）-サイクリンA（S Cdk＝SPF）複合体を阻害する
これら全てのCdk-サイクリン複合体の阻害は、前複製複合体replication complex複製複合体（replication complex）replication complex（複製複合体）の形成の阻害、それによりDNA複製の阻害をもたらす → 細胞周期はG1期G1 phaseG1期（G1 phase）G1 phase（G1期）で停止する——S期でDNA複製が起こる前に

（G1期G1 phaseG1期（G1 phase）G1 phase（G1期）のCdk-サイクリン複合体の詳細は49-regulation-of-the-cell-cycle-in-the-g1-phase-transition-to-s-phase参照）

G2-M移行期におけるp53の活性化

p53はCdk1とサイクリンBを抑制する
p53はp21を誘導し、これがCdk（1）-サイクリンB複合体の形成を阻害する→M期M phaseM期（M phase）M phase（M期）促進因子を阻害する
p53はGadd45を誘導する→Cdk（1）-サイクリンB複合体をCdk1とサイクリンBへ分離させる
14-3-3σの誘導→細胞質中でMPFを不活性化し、核内へ転位させる

→ ストレスが解消されるまで有糸分裂は阻害される（活性型MPFが存在しない）

（G2/M期M phaseM期（M phase）M phase（M期）のMPFの詳細は50-regulation-of-the-cell-cycle-in-the-g2-and-m-phases参照）

flowchart TD
  A["p53活性化（ATM/ATR/Chk1+2経由）"] --> B["p21誘導"]
  B --> C["Cdk4,6-<span class='jp-term jp-term-diagram' title='cyclin D'>サイクリンD</span>・Cdk2-サイクリンE・Cdk2-サイクリンA阻害"]
  C --> D["前<span class='jp-term jp-term-diagram' title='replication complex'>複製複合体</span>形成阻害"]
  D --> E["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='G1 phase'>G1期</span>での<span class='jp-term jp-term-diagram' title='cell cycle arrest'>細胞周期停止</span>"]
  A --> F["Cdk1・サイクリンB抑制＋Gadd45誘導"]
  F --> G["Cdk1-サイクリンB複合体（MPF）分離・阻害"]
  A --> H["14-3-3σ誘導"]
  H --> I["MPFを細胞質で不活性化し核内へ転位"]
  G --> J["G2/M移行の停止：有糸分裂阻害"]
  I --> J

TGFβは増殖の阻害因子である

TGFβはTGFβ受容体に結合し、SMAD経路を活性化する。これによりCKI（p15、p21、p27）の転写がもたらされ、Cdk4とCdc25の産生が低下し、細胞周期がG1期G1 phaseG1期（G1 phase）G1 phase（G1期）で停止する（43-nf-b-and-tgf-signaling参照）。

まとめ

DNA損傷はATR（一本鎖DNAsingle-stranded DNA一本鎖DNA（single-stranded DNA）single-stranded DNA（一本鎖DNA）検知）またはATM（二本鎖切断double-strand break二本鎖切断（double-strand break）double-strand break（二本鎖切断）検知）を活性化し、それぞれChk1・Chk2を介してCdc25を阻害・分解させ、Wee1を活性化することでCdkを二重に不活性化し細胞周期を停止させる。
p53は通常Mdm2によるユビキチン化ubiquitinationユビキチン化（ubiquitination）ubiquitination（ユビキチン化）で不安定に保たれているが、DNA損傷によるリン酸化がMdm2結合を減少させ安定化・活性化する。活性化p53はp300を共活性化因子co-activator共活性化因子（co-activator）co-activator（共活性化因子）として細胞周期停止cell cycle arrest細胞周期停止（cell cycle arrest）cell cycle arrest（細胞周期停止）・DNA修復・アポトーシス関連遺伝子を転写する。
p53はp21を介してG1期G1 phaseG1期（G1 phase）G1 phase（G1期）のCdk4,6-サイクリンDcyclin DサイクリンD（cyclin D）cyclin D（サイクリンD）/Cdk2-サイクリンE/サイクリンA複合体を阻害しG1停止をもたらし、Cdk1-サイクリンB（MPF）をp21・Gadd45・14-3-3σを介して阻害することでG2/M移行も停止させる——「損傷→停止→修復→再開または細胞死」という原則を実行する分子機構Molecular Mechanisms分子機構（Molecular Mechanisms）Molecular Mechanisms（分子機構）である。