遺伝子の損傷と修復

DNA分子の損傷は、細胞の持つ遺伝情報の変化、あるいは損失をもたらすだけでなく、その構造を劇的に変化させることでそこにコード化されている遺伝情報の読み取りに重大な影響を与えることがあります。
また、DNA修復は細胞が生存しつづけるために必要で重要なプロセスであり、細胞にはDNA修復を行う機構が備わっております。
これらをDNA修復機構、あるいはDNA修復系と呼びます。

DNA分子の損傷は1日1細胞あたり最大50万回程度発生することが知られており、その原因は、正常な代謝活動（DNAポリメラーゼによるDNA複製ミス）に伴うものと環境要因（紫外線など）によるものがあります。
それぞれに対応し、DNA修復には定常的に働いているものと、環境要因などによって誘起されるものとがあります。

DNA修復速度の細胞の加齢に伴う低下や、環境要因のよるDNA分子の損傷増大によりDNA修復がDNA損傷の発生に追いつかなくなると、 老化（細胞老化）と呼ばれる、不可逆な休眠状態（細胞ががん化することを抑制する防御反応であると考えられている）に陥る場合と、アポトーシス（プログラム細胞死）と呼ばれる、細胞の自殺が起こる場合とのいずれかの運命をたどることになります。

人体においては、ほとんどの細胞が細胞老化の状態に達するが、修復できないDNAの損傷が蓄積した細胞ではアポトーシスが起こります。
この場合、アポトーシスは体内の細胞がDNAの損傷により癌化し、体全体が生命の危険にさらされるのを防ぐための「切り札」として機能しています。

また、細胞が老化状態に達し、DNA修復機能の効率低下をもたらすような遺伝子発現調節の変化が起こると、結果として病気を引き起こします。

細胞のDNA修復能力はその正常な機能の維持と、体全体の健康の維持にとって重要であり、また、寿命に影響を及ぼすと見られる遺伝子の多くがDNA損傷の修復と保護に関連しています。

DNAは細胞内において核とミトコンドリアの二つの領域に存在します。
核内に存在するDNA（nDNA）は、ヒストンと呼ばれるビーズ状のタンパク質に巻き付き、染色体として知られる大規模な団粒構造を形成し、保護された状態で存在しています。

ミトコンドリア内に存在するDNA（ミトコンドリアDNA：mtDNA）の場合、ヒストンとの複合体を形成することなく単一あるいは複数のコピーからなる環状DNAとして存在しています。

ヒストンタンパク質によって与えられる構造的な保護を欠いているため、結果として、mtDNAはnDNAに比べてはるかに損傷を受けやすくなっています。
加えて、ミトコンドリアは内部で定常的に生産されているATPのために非常に強い酸化的環境となっており、これも、mtDNAをさらに損傷を受けやすいものにしています。

DNA損傷の原因は正常な代謝に伴って副生する活性酸素による攻撃といった細胞内に起因するもの、 環境由来のもの、 紫外線照射、 X線、あるいはγ線といった、波長の短い電磁波の照射、 ある種の植物毒素、 タバコの煙からの炭化水素など人造の変異原性物質、
癌の化学療法や放射線療法などがあげられます。

DNAの損傷はDNAの二重ラセンといった二次構造よりもむしろ一次構造に影響を与えるものが多い。これらは次のように分類されます。

・塩基の変化	（酸化、メチル化、加水分解、不正対合、重複、脱アミノ化、ヌクレオチドの挿入あるいは欠失、 類似塩基の取り込み、紫外線によるチミン二量体の形成）
・鎖の切断	（電離製放射線による切断、 核酸の骨格部分に取り込まれた放射性物質の崩壊、 酸化的フリーラジカルの生成）
・架橋	（同一鎖上の塩基対同士の架橋、 対向する塩基対同士での架橋、 タンパク質との架橋）

一本鎖の損傷	DNA二重ラセンの一方の鎖への損傷においては、様々なDNA修復の機構が存在します。
除去修復機構	損傷を受けたヌクレオチドを除去し、損傷を受けていない鎖の情報を元に修復する機構です。 ・塩基除去修復 (base excision repair: BER) ・ヌクレオチド除去修復 (nucleotide excision repair: NER) ・ミスマッチ修復（mismatch repair: MMR） ・校正修復 (proof-reading repair)
一本鎖切断修復	酸化により生じた、DNAの一方の鎖のみの切断した部分を再結合させる修復です。
二本鎖の損傷	分裂する細胞にとって、特に重大なDNA損傷の様式が、DNA二重ラセンの両方の鎖が切断されてしまう障害で、この障害を修復する機構には二種類あります。
相同組換え	homologous recombination: HR）この機構は細胞周期において、DNAの複製中か、または複製終了後の間において主に用いられると考えられています。
非相同末端再結合	(Non-Homologous End-Joining: NHEJ) 本質的には損傷により生じた二つの末端をつなぐ機構であるが、このプロセスではDNA配列がしばしば失われるため、修復が変異の原因となることがあります。 NHEJは細胞周期のすべての段階で実行可能ですが、DNA複製前の、姉妹染色分体を利用した相同組換えが不可能な段階では主として起こります。
SOS修復	紫外線照射などにより高度にDNAが損傷を受けると、これに対応するため、一斉に各種タンパク質の合成を始めることが知られています。この反応をSOS応答 (SOS response) と呼びます。大腸菌においては、DNA修復に関わる多くの酵素は、それをコードする遺伝子の上流にSOSボックスなる配列をもち、平時は恒常的に発現しているLexAというリプレッサーがここに結合し、転写が阻害されています。RecAがDNA損傷に応じて生じる一本鎖DNAに結合することで活性化すると、LexAの自己プロテアーゼ活性を亢進し、細胞内のLexAの濃度が減少し、DNA修復酵素が発現します。このようにして合成されたDNA修復酵素により行われるDNA修復をSOS修復と呼びます。
複製後修復(PRR)	紫外線照射により生じる塩基二量体はNER（ヌクレオチド除去修復）によって修復させます。 しかし、NERのみでは紫外線による損傷のひとつである CPD(シクロブタン型ピリミジン二量体:cyclobutane pyrimidine dimer)を完全に取り除くことは難しく、損傷発生から24時間経っても、転写を受ける領域、受けない領域に関わらずゲノムに多くの損傷が残っていることが示されています。 そのため、複製や転写の途中でポリメラーゼが損傷に遭遇し、反応が完了できない事態に陥ります。 これは、染色体異常や細胞死、転写産物量の激減によるあらゆる代謝の異常を 引き起こすため、生物にとって非常に有害であります。 特に紫外線損傷は生物が日光の下にいる以上は常に発生するため、損傷残存によるこのような危機を回避するためには、複製や転写を行う際に紫外線損傷がDNA上に残っていても、どうにか複製・転写を無事に完了させることが求められます。 生物はこうした危機から自らを防御するため、転写に共役した修復(TCR)とPRR (Post-replication Repair:複製後修復)と呼ばれる機構をもっています。前者は、 RNAポリメラーゼが損傷に遭遇したときに、NERが活性化されて転写反応進行中の 鋳型鎖から速やかに損傷を除去する機構です。 後者のPRRは、修復のための機構ではなく、DNAポリメラーゼが損傷に遭遇し複製フォークが停止したときに、通常の複製反応とは異なるいくつかの経路によって損傷の存在する塩基の複製を行い、複製をひとまず完了させる機構であり、ゲノムに残存した損傷は後から別の機構により修復されます。
損傷乗り越え複製(TLS)	TLSは、損傷塩基を鋳型に強行的に複製を行う機構です。 これを担っているタンパク質群には、ユビキチン化に関わる酵素やDNAの滑る留め金(Sliding Clamp)として働くPCNA(Proliferating Cell Nuclear Antigen:増殖細胞核抗原)の他、ポリメラーゼ活性を持つ酵素群(TLSポリメラーゼ)があります。

細胞の老化とともに、DNAの損傷の発生頻度がDNA修復の速度を追い抜くようになり、修復が追いつかずにDNA損傷が蓄積します。
結果としてタンパク質合成が減少します。

細胞内のタンパク質が多くの生命維持のために消耗すると、細胞自体が次第に損傷を受け、ついには死滅します。
体の各器官において、多くの細胞がそのような状態に達すると、器官自体の能力を弱め、そして、次第に病気の症状となって現れるようになります。
動物実験による研究において、DNA修復に関連する遺伝子の発現を抑制させたところ、老化が加速され、老化の初期に見られる症状が認められ、また、癌化の促進に対し鋭敏になった。

また、培養細胞を用いた研究においては、寿命の延長と発癌性物質に対する抵抗性について、DNA修復遺伝子が関与していると考えられている。

DNA損傷の頻度が増加し、その修復能力を超過するようになると、遺伝情報の誤りが蓄積して細胞はそれに耐えられなくなり、結果として、老化、アポトーシスあるいは癌化します。DNA修復機構の欠損による遺伝病は、早期老化（例えば、ウェルナー症候群など）や発癌性物質に対する感受性の増加（例えば、色素性乾皮症など）を引き起こします。

カロリー制限 (Caloric restriction: CR) は、研究されている全ての生物、酵母などの単細胞生物から虫、ハエ、ネズミあるいは霊長類などの多細胞生物において、寿命の延長と老化に関連する病気の減少をもたらすことが示されています。

カロリー制限時に働く機構は、栄養、特に炭水化物の不足があるとき、細胞の代謝活性を変更する信号を受け取ります。

栄養に関係する多くの遺伝子と関連している細胞は、利用可能な炭水化物の減少を感知した場合、寿命に関連する遺伝子のDAF-2、AGE-1、およびSIを発現させます。

なぜ栄養の不足が、細胞中でのDNA修復の増加した状態を引き起こして寿命の延長を示す事と、進化において保存された細胞休眠 (cellular hibernation) の機構とに関連するのか、その理由は良く分かりませんが、本質的には、これらはいずれもより好ましい条件が訪れるまで細胞が休眠状態を維持することを可能にします。

休眠状態の間、細胞は新陳代謝の標準とする速度を減少させ、同時に、ゲノムの不安定性を減少させなければなりませんが、ここに示された機構はこれらを可能にする方法の一つです。

したがって、細胞の老化速度は変化しやすく、栄養の利用可能性といった環境要因もDNA修復速度を変更させることでこれに影響を与えます。

DNAと結び付いているヒストンでは、N末端のリシン残基がアセチル化、脱アセチル化され、これが遺伝子発現の制御に関わっています。
（前述DNAメチル化異常による発がんとエピジェネティクスのヒストン修飾参照）

ヒストンが多数アセチル化されている染色体領域は、遺伝子の転写が活発に行われており、ヒストンのアセチル化は遺伝子の発現を活性化させ、脱アセチル化はヒストンとDNAの親和力を強め遺伝子の発現を抑制しDNAを安定化していると考えられています。

これらの反応はヒストンアセチルトランスフェラーゼ（HAt）、ヒストン脱アセチル化酵素=ヒストンデアセチラーゼ（HDAc）によって触媒されます。

カロリー制限によってヒストン脱アセチル化酵素を発現させる抗老化遺伝子と呼ばれるサーチュイン遺伝子が活性化されると言われています。

DNA損傷と死、あるいは病気との関連を示す莫大な証拠が存在します。

いくつかのDNA修復酵素の活動を増加させますと、老化速度や発病の頻度は減少する可能性があります。

これは結果として、高齢の方に今よりも長い間、健康で病気のない時間をもたらすような、人間の介入手段をもたらすかもしれません。
しかしながら、DNA修復酵素の過剰発現がすべて有益であるとは限りません。

いくつかのDNA修復酵素は健全なDNAに新たな突然変異をもたらす場合があります。
これらの誤りにより、基質特異性の減少を引き起こすことが考えられます。

がん（癌）治療
化学療法や放射線療法などの手法は、細胞の持つDNA修復能力をはるかに超える損傷をもたらし、結果として細胞の死をもたらします。

癌細胞のように急速に分裂を進める細胞においては、これらの影響を優先的に受けることになります。

しかし、副作用として、骨髄の幹細胞のようながん（癌）細胞ではないが急速に分裂を進める細胞に対しても影響が及ぶため、現代のがん（癌）治療では、影響をがん（癌）に関わる組織にとどめるために、DNA損傷を局所に限定しようと試みています。

がん（癌）遺伝子治療
異常な遺伝子を持っているため機能不全に陥っている細胞の欠陥を修復・修正することで病気を治療する手法です。

治療用の遺伝子情報を組み込んだレトロウィルス（腫瘍溶解性ウイルス）を異常な遺伝子を持つ細胞内に浸入させる手法がとられていますが、成功例は少なく、より画期的なDNA導入法が期待されている。

腫瘍溶解性ウイルスとは、正常細胞内では増殖できず標的とするがん細胞内で選択的に増殖可能な制限増殖型ウイルスで，がん細胞内での増殖によりがん細胞を破壊・死滅させる。

遺伝子組換腫瘍溶解性ウイルスの種類ヒトアデノウイルス、レオウイルス、麻疹ウイルス、単純ヘルペスウイルス、センダイウイルス、ボックスウイルス、水泡性口内炎ウイルス、ニューキャッスル病ウイルス。