主要なDNA損傷の種類；塩基脱アミノ化の修復（EM学生のみ）

🧠 DNADNA（deoxyribonucleic acid）損傷の大多数は「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損傷の典型は、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（この原則が使えない例外が、後述する二本鎖切断 double-strand break 二本鎖切断（double-strand break） double-strand break（二本鎖切断） と鎖間架橋 inter-strand crosslink 鎖間架橋（inter-strand crosslink） inter-strand crosslink（鎖間架橋） 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・RNARNA（ribonucleic acid）・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。

⭐ 5-メチルシトシンの脱アミノ化 deamination 脱アミノ化（deamination） deamination（脱アミノ化） がCpGを変異のホットスポットにする。 シトシンが脱アミノ化 deamination 脱アミノ化（deamination） deamination（脱アミノ化） してできるウラシル uracil ウラシル（uracil） uracil（ウラシル） はDNAには本来存在しない塩基なので、ウラシルuracil ウラシル（uracil）uracil（ウラシル） 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） が即座に「異物」と見分けて除去できる。ところが5-メチルシトシンが脱アミノ化 deamination 脱アミノ化（deamination） deamination（脱アミノ化） するとチミン thymine, Tチミン（thymine, T） thymine, T（チミン）——DNAの正規の塩基——になるため、修復系は「どちらが元だったか」を判定しにくい。結果としてCpG部位のトランジション（C→T／G→A）は全点突然変異の約3分の1を占める¹。メチル化される部位が変異しやすいという、DNAメチル化の代償である。

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。

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。

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）。

💡 上の6分類に入っていないが臨床的に最重要なのが「酸化損傷」。 DNAの自然崩壊の主要3経路は加水分解・酸化・非酵素的non-enzymatic 非酵素的（non-enzymatic）non-enzymatic（非酵素的） メチル化であり²、上の分類は加水分解とメチル化を挙げているが酸化を独立の型として立てていない。ROSでグアニン guanine グアニン（guanine） guanine（グアニン） が酸化されると8-oxoG（8-オキソグアニン guanineグアニン（guanine） guanine（グアニン））ができ、これはアデニン adenine アデニン（adenine） adenine（アデニン） とも対合 synapsis 対合（synapsis） synapsis（対合） できてしまうため、放置するとG:C→T:Aトランスバージョンを生む。哺乳類mammal 哺乳類（mammal）mammal（哺乳類） はこれに3段構えで対抗する³。

⚠️ MUTYHの両アレル変異 biallelic mutation 両アレル変異（biallelic mutation） biallelic mutation（両アレル変異） ＝MUTYH関連ポリポーシス MUTYH-associated polyposisMUTYH関連ポリポーシス（MUTYH-associated polyposis） MUTYH-associated polyposis（MUTYH関連ポリポーシス）。 常染色体潜性遺伝autosomal recessive inheritance 常染色体潜性遺伝（autosomal recessive inheritance）autosomal recessive inheritance（常染色体潜性遺伝） で多発大腸腺腫を来し、消化器癌の生涯リスクが大きく上がる⁴。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1酵素の欠損が家族性大腸腺腫症 familial adenomatous polyposis, FAP 家族性大腸腺腫症（familial adenomatous polyposis, FAP） familial adenomatous polyposis, FAP（家族性大腸腺腫症） 様の表現型になるという、修復系と発癌をつなぐ代表例である。

⭐ 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：複製・修復にあたるPol I・II・III、真核生物：δ・εのみ。損傷乗り越え用の低忠実度ポリメラーゼは校正 proofreading 校正（proofreading） proofreading（校正） 活性を持たない）。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。

1. 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
2. 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
3. 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
4. 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["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='deoxyribonucleic acid'>DNA</span><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<span class='jp-term jp-term-diagram' title='deoxyribonucleic acid'>DNA</span>鎖を切断）"]
  D --> E["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='deoxyribonucleic acid'>DNA</span>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<span class='jp-term jp-term-diagram' title='deoxyribonucleic acid'>DNA</span>で置換"]
  E --> F["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='deoxyribonucleic acid'>DNA</span><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 resolution自然消失（spontaneous resolution） spontaneous resolution（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gamma radiationγ線（gamma radiation）gamma radiation（γ線））や抗癌薬 anticancer drug 抗癌薬（anticancer drug） anticancer drug（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：

まとめ

• DNA損傷の大多数は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（二本鎖切断double-strand break 二本鎖切断（double-strand break）double-strand break（二本鎖切断） と鎖間架橋 inter-strand crosslink 鎖間架橋（inter-strand crosslink） inter-strand crosslink（鎖間架橋） はこの原則が使えない例外）——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分類に加え、ROSによる酸化損傷（8-oxoG）が実務上重要な7つ目である。
• 5-メチルシトシンの脱アミノ化 deamination 脱アミノ化（deamination） deamination（脱アミノ化） はチミン thymine, T チミン（thymine, T） thymine, T（チミン） という正規の塩基を生むため見分けにくく、CpGのトランジションは全点突然変異の約3分の1を占める。8-oxoGはMTH1・OGG1・MUTYHの3酵素で処理され、MUTYHの両アレル変異 biallelic mutation 両アレル変異（biallelic mutation） biallelic mutation（両アレル変異） はMUTYH関連ポリポーシス MUTYH-associated polyposis MUTYH関連ポリポーシス（MUTYH-associated polyposis） MUTYH-associated polyposis（MUTYH関連ポリポーシス） を起こす。
• 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。