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

🧠 この経路全体は「DNADNA（deoxyribonucleic acid）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）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DNA single-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 double-strand DNA break 二本鎖DNA切断（double-strand DNA break） double-strand DNA break（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。

💡 「センサー」の実体は、損傷の形そのものを認識するタンパク質複合体である。 ATM/ATRが単独でDNAを見張っているのではない。二本鎖切断double-strand break 二本鎖切断（double-strand break）double-strand break（二本鎖切断） 側ではMRN複合体（Mre11-Rad50-Nbs1）が切断端を認識してATMを切断DNAへ動員し、不活性な二量体から活性型の単量体 monomer 単量体（monomer） monomer（単量体） へ変えてp53とChk2をリン酸化させる——MRNによるDNA末端のほどきがATM活性化に必須であり、ここでも最終的なシグナルは一本鎖DNA single-stranded DNA 一本鎖DNA（single-stranded DNA） single-stranded DNA（一本鎖DNA） である¹。一本鎖DNAsingle-stranded DNA 一本鎖DNA（single-stranded DNA）single-stranded DNA（一本鎖DNA） 側では、露出したssDNAをRPAが被覆し、そのRPA-ssDNA複合体をATRIP（ATR-interacting protein、ATR結合タンパク質）が認識してATR-ATRIP複合体を損傷部位へ引き寄せ、ATRによるChk1のリン酸化を可能にする²。「DNA複製が完了したか」を検知する仕組みも実体は同じで、複製フォークreplication fork 複製フォーク（replication fork）replication fork（複製フォーク） が停止して合成されないまま残ったssDNAがRPAに被覆されると、それがそのままATR-Chk1経路の入力になる（複製ストレスreplication stress 複製ストレス（replication stress）replication stress（複製ストレス） 応答）²。

💡 損傷部位に立つ「旗」がγH2AXである。 活性化したATM（およびATR・DNA-PK）はヒストンH2AXのSer139をリン酸化し、これをγH2AXと呼ぶ。γH2AXは切断部位の周囲のクロマチンへ広がり、多数のDNA損傷応答タンパク質を集積させる足場 scaffold 足場（scaffold） scaffold（足場） になるため、免疫染色の「フォーカス」として二本鎖切断 double-strand break 二本鎖切断（double-strand break） double-strand break（二本鎖切断） の高感度マーカーに使われる³。γH2AXの下流にはMDC1→RNF8/RNF168→53BP1というメディエーターの連鎖が並ぶ。⚠️ ただし53BP1はチェックポイント checkpoint チェックポイント（checkpoint） checkpoint（チェックポイント） 停止そのものにはほぼ不要である。 53BP1が主に担うのはATM依存の二本鎖切断修復 double strand break repair 二本鎖切断修復（double strand break repair） double strand break repair（二本鎖切断修復） （とくにヘテロクロマチン heterochromatin ヘテロクロマチン（heterochromatin） heterochromatin（ヘテロクロマチン） 内の切断）と修復経路 The HR repair pathway 修復経路（The HR repair pathway） The HR repair pathway（修復経路） の選択であって、「53BP1＝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） の本体」ではない⁴。

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["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='double-strand DNA break'>二本鎖DNA切断</span>"] --> 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D cyclin 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 phase G1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 phase G1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

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 phase M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→MPF（Cdk1-サイクリンB）を細胞質に隔離し、核内への移行を阻止する⁵

→ 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）

⚠️ 14-3-3σはMPFを「核へ運ぶ」のではなく「核へ入れない」。 14-3-3σはp53により誘導され、リン酸化されたサイクリンB1-Cdk1（＝MPF）に結合して細胞質へ隔離することで、有糸分裂の開始に必要な核内移行 nuclear translocation 核内移行（nuclear translocation） nuclear translocation（核内移行） を妨げる。14-3-3σを両アレル欠損させたヒト大腸がん細胞では、DNA損傷後にいったんG2で停止してもそれを維持できず、サイクリンB1-Cdk1を核外に隔離できないまま分裂期へ進んで分裂期破局で死ぬ⁵。

（G2/M期M phase M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を細胞質に隔離し<span class='jp-term jp-term-diagram' title='nuclear translocation'>核内移行</span>を阻止"]
  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 phase G1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 phase G1期（G1 phase） G1 phase（G1期） のCdk4,6-サイクリンD cyclin 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。