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）

🧠 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（大腸菌ならGATC配列のメチル化状態、真核生物なら新生鎖に残るニック）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、DNADNA（deoxyribonucleic acid）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 double-stranded DNA 二本鎖DNA（double-stranded DNA） double-stranded DNA（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>）をXPC-RAD23B複合体が認識"] --> 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<span class='jp-term jp-term-diagram' title='deoxyribonucleic acid'>DNA</span>断片が遊離"]
  D --> E["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='deoxyribonucleic acid'>DNA</span>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["<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>が残ったギャップを封鎖"]

⚠️ XPタンパク質（XPC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。損傷の初期認識を担うのはXPCとその相方RAD23Bが作る複合体で、ノート内で「23B」と略しているのはこのRAD23Bのことである。

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

⚠️ ヒトには光回復酵素が無い。 光回復酵素の活性は細菌から菌類・植物・魚類・有袋類まで広く見られるが、ヒトを含む有胎盤類はこの遺伝子を進化の途中で失っている——遺伝子そのものが検出されず、転写産物も見つからない¹。そのため我々はUV損傷に対して、より複雑で効率の劣る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） だけに頼らざるを得ない²。「原核生物だけの機構」ではなく「有胎盤類が失った機構」と覚えるのが正確で、有袋類の光回復酵素を導入したマウスでは日焼け（紅斑）・過形成・アポトーシスが劇的に減ることからも、失った代償の大きさが分かる²。

💡 ヒトに残っている直接修復 direct repair 直接修復（direct repair） direct repair（直接修復） ＝MGMT。 O6-メチルグアニン guanine グアニン（guanine） guanine（グアニン） -DNAメチルトランスフェラーゼ（MGMT）は、アルキル化alkylation アルキル化（alkylation）alkylation（アルキル化） で生じたO6-メチルグアニン guanine グアニン（guanine） guanine（グアニン） のメチル基 methyl group メチル基（methyl group） methyl group（メチル基） を自分自身のシステイン残基 cysteine residue システイン残基（cysteine residue） cysteine residue（システイン残基） へ移し取って塩基を元に戻す。1分子が1回しか働けない「自殺酵素」である。臨床的にはこれがアルキル化剤alkylating agents アルキル化剤（alkylating agents）alkylating agents（アルキル化剤） の効き目を打ち消す耐性因子として働く——膠芽腫glioblastoma (GBM)膠芽腫（glioblastoma (GBM)）glioblastoma (GBM)（膠芽腫）206例のうち45%はMGMTプロモーターがメチル化して酵素が沈黙しており、この群でテモゾロミド temozolomide テモゾロミド（temozolomide） temozolomide（テモゾロミド） 併用による明確な生存上乗せ add-on (incremental benefit) 上乗せ（add-on (incremental benefit)） add-on (incremental benefit)（上乗せ） がみられた（生存期間中央値21.7か月対15.3か月。非メチル化群では差が小さく統計学的に有意でなかった）³。「修復酵素が働くほど抗癌薬 anticancer drug 抗癌薬（anticancer drug） anticancer drug（抗癌薬） が効かない」という逆転の関係を押さえる。

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["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='deoxyribonucleic acid'>DNA</span><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["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='deoxyribonucleic acid'>DNA</span>ポリメラーゼIII／δがギャップを埋める"]
  H --> I["<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。

真核生物でも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））タンパク質が同じ役割を担う。

⚠️ 真核生物の鎖識別 strand discrimination 鎖識別（strand discrimination） strand discrimination（鎖識別） はGATCのメチル化ではない。 上のGATC・Dam・MutHの仕組みは大腸菌に固有で、ヒトにはDamメチラーゼもMutHのホモログ homolog ホモログ（homolog） homolog（ホモログ） も存在しない。真核生物では、MutSホモログ homolog ホモログ（homolog） homolog（ホモログ） がミスマッチ mismatch (base-pair mismatch) ミスマッチ（mismatch (base-pair mismatch)） mismatch (base-pair mismatch)（ミスマッチ） を検出し、PCNAに活性化された MLH1-PMS2（酵母Mlh1-Pms1）複合体が新生鎖にニックを入れるという形で鎖を見分ける。目印になるのは、複製直後の新生鎖に一過性に残っている既存のニック（ラギング鎖lagging strand ラギング鎖（lagging strand）lagging strand（ラギング鎖） の岡崎フラグメント Okazaki fragment 岡崎フラグメント（Okazaki fragment） Okazaki fragment（岡崎フラグメント） 間の切れ目など）で、PCNAがそこに装着される向きがMLH複合体の切断する鎖を決める⁴。その後EXO1が切除し、Pol δが埋め直す。このニック生成活性を失わせると、変異率の上昇はミスマッチmismatch (base-pair mismatch) ミスマッチ（mismatch (base-pair mismatch)）mismatch (base-pair mismatch)（ミスマッチ） 認識そのものを失ったMSH2欠失と統計的に区別できないほど大きい——鎖識別 strand discrimination 鎖識別（strand discrimination） strand discrimination（鎖識別） は認識と同じくらい重要な段階である⁵。

⚠️ 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 colorectal tumor 大腸腫瘍（colorectal tumor） colorectal tumor（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））。 責任遺伝子はMLH1・MSH2・MSH6・PMS2で、PMS2は上で見たニック生成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） そのものである⁵。

⭐ ミスマッチ修復欠損mismatch repair deficiency (dMMR) ミスマッチ修復欠損（mismatch repair deficiency (dMMR)）mismatch repair deficiency (dMMR)（ミスマッチ修復欠損） （dMMR／MSI-High）は、いまや治療選択 therapeutic options 治療選択（therapeutic options） therapeutic options（治療選択） のバイオマーカー Biomarkers バイオマーカー（Biomarkers） Biomarkers（バイオマーカー） である。 修復が効かない腫瘍は体細胞変異 somatic mutation 体細胞変異（somatic mutation） somatic mutation（体細胞変異） を極端に多く溜め込み、その結果として大量のネオ抗原 neoantigen ネオ抗原（neoantigen） neoantigen（ネオ抗原） を提示するため、免疫チェックポイント阻害（PD-1阻害）がよく効く。12腫瘍型のdMMR進行癌で客観的奏効率 objective response rate 客観的奏効率（objective response rate） objective response rate（客観的奏効率） 53%・完全奏効complete response, CR 完全奏効（complete response, CR）complete response, CR（完全奏効） 21%、しかも原発臓器を問わないという結果が示され⁶、臓器別ではなく分子マーカー molecular marker 分子マーカー（molecular marker） molecular marker（分子マーカー） で適応を決める治療（腫瘍型横断的適応）の先駆けとなった。

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） （XPC-RAD23Bによる認識→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。
• 直接修復direct repair 直接修復（direct repair）direct repair（直接修復） は塩基・ヌクレオチドを除去せずに損傷を可逆化する。DNA光回復酵素は細菌から有袋類まで広く分布するがヒトを含む有胎盤類では失われており、ヒトに残る直接修復 direct repair 直接修復（direct repair） direct repair（直接修復） はMGMT（O6-メチルグアニン guanine グアニン（guanine） guanine（グアニン） のメチル基 methyl group メチル基（methyl group） methyl group（メチル基） を自らのシステインへ移す自殺酵素）である——MGMTプロモーターのメチル化は膠芽腫 glioblastoma (GBM) 膠芽腫（glioblastoma (GBM)） glioblastoma (GBM)（膠芽腫） の45%にみられ、テモゾロミドtemozolomide テモゾロミド（temozolomide）temozolomide（テモゾロミド） が効くかどうかを分ける。
• 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） は複製後に生じたエラーを対象とし、大腸菌では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MutS-MutL-MutH複合体が鎖識別 strand discrimination 鎖識別（strand discrimination） strand discrimination（鎖識別） を行う——エネルギー的に非常にコストの高い過程である。
• 真核生物にはDam／MutHが無く、PCNAに活性化されたMLH1-PMS2が新生鎖の既存ニックを目印に自らニックを入れて鎖を識別し、EXO1とPol δが後を継ぐ。
• 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）。MLH1・MSH2・MSH6・PMS2）の原因となり、生じたdMMR／MSI-High腫瘍は臓器を問わずPD-1阻害に高率で反応する（奏効率response rate 奏効率（response rate）response rate（奏効率） 53%・完全奏効complete response, CR 完全奏効（complete response, CR）complete response, CR（完全奏効） 21%）。