損傷したDNAを修復する方法

細胞のDNAは、外因性と内因性の両方のプロセスによる損傷を受けます。一般的に、ヒトゲノムは1日あたり数百万の損傷を受ける可能性があります。ゲノムの変化は遺伝子発現のエラーを引き起こし、構造が変化したタンパク質を生成します。タンパク質は、細胞機能と細胞シグナル伝達に関与することにより、細胞内で主要な役割を果たします。したがって、DNA損傷は、最終的に癌につながる機能しないタンパク質を引き起こす可能性があります。さらに、ゲノムの変化は次の細胞世代に受け継がれ、突然変異として知られる永続的な変化になる可能性があります。したがって、DNA損傷を修復することが重要であり、このプロセスには多くの細胞メカニズムが関与しています。これらの修復メカニズムには、塩基除去修復、ヌクレオチド除去修復、および二本鎖切断修復が含まれます。

対象となる主要分野

1.DNA損傷とは何ですか –定義、原因、タイプ 2.損傷したDNAを修復する方法 –損傷修復メカニズム 3.DNA損傷が修復されない場合はどうなりますか –損傷した細胞DNAに対する細胞応答

重要な用語：塩基の直接反転、DNA損傷、二本鎖損傷修復、内因性因子、外因性因子、一本鎖損傷修復

DNA損傷とは何ですか

DNA損傷は、DNA骨格からの塩基の欠落、化学的に変化した塩基、または二本鎖切断など、DNAの化学構造の変化です。環境上の理由（外因性の要因）と内部代謝プロセス（内因性の要因）などの細胞源の両方がDNAに損傷を与えます。壊れたDNAを図1に示します。

図1：壊れたDNA

原因：外因性の要因

外因性の要因は、物理的または化学的変異原のいずれかである可能性があります。物理的変異原は主にフリーラジカルを生成する紫外線です。フリーラジカルは、一本鎖と二本鎖の両方の切断を引き起こします。アルキル基やナイトロジェンマスタード化合物などの化学変異原物質は、DNA塩基に共有結合します。

原因：内因性要因

細胞の生化学反応はまた、DNAの塩基を部分的または完全に消化する可能性があります。 DNAの化学構造を変化させる生化学反応のいくつかを以下に説明します。

損傷したDNAを修復する方法

DNA損傷の修復には、さまざまな種類の細胞メカニズムが関与しています。 DNA損傷修復メカニズムは3つのレベルで発生します。直接反転、一本鎖損傷修復、および二本鎖損傷修復。

直接逆転

DNA損傷の直接逆転の間、塩基対の変化のほとんどは化学的に逆転します。いくつかの直接反転メカニズムを以下に説明します。

光再活性化 – UVは、隣接するピリミジン塩基間でピリミジン二量体の形成を引き起こします。光再活性化は、フォトリアーゼの作用によるピリミジン二量体の直接逆転です。ピリミジンダイマーを図2に示します。

図2：ピリミジンダイマー

MGMT –アルキル基は、メチルグアニンメチルトランスフェラーゼ（MGMT）によって塩基から除去されます。

一本鎖損傷修復

一本鎖損傷修復は、DNA二本鎖のDNA鎖の1つにおける損傷の修復に関与します。塩基除去修復とヌクレオチド除去修復は、一本鎖損傷修復に関与する2つのメカニズムです。

塩基除去修復（BER） –塩基除去修復では、単一ヌクレオチドの変化がグリコシラーゼによってDNA鎖から切断され、DNAポリメラーゼが正しい塩基を再合成します。塩基除去修復を図3に示します。

図3：BER

ヌクレオチド除去修復（NER） –ヌクレオチド除去修復は、ピリミジン二量体などのDNAの歪みの修復に関与します。エンドヌクレアーゼによって損傷部位から12〜24塩基が除去され、DNAポリメラーゼが正しいヌクレオチドを再合成します。

二本鎖損傷修理

二本鎖損傷は染色体の再配列につながる可能性があります。非相同末端結合（NHEJ）と相同組換えは、二本鎖損傷修復に関与する2種類のメカニズムです。二本鎖損傷修復メカニズムを図4に示します。

図4：NHEJとHR

非相同末端結合（NHEJ） – DNAリガーゼIVとXRCC4として知られる補因子は、切断された鎖の両端を保持し、両端を再結合します。 NHEJは、小さな相同配列に依存して、再結合中に互換性のある末端を検出します。
相同組換え（HR） –相同組換えは、修復のテンプレートとして同一またはほぼ同一の領域を使用します。したがって、相同染色体の配列は、この修復中に使用されます。

DNA損傷が修復されない場合はどうなりますか

細胞がDNA損傷を修復する能力を失うと、細胞DNAが損傷した細胞で3種類の細胞応答が発生する可能性があります。

老化または生物学的老化–細胞の機能の段階的な低下
アポトーシス–DNA損傷はアポトーシスの細胞カスケードを引き起こす可能性があります
悪性腫瘍–癌につながる制御されていない細胞増殖などの不死の特徴の発達。

結論

外因性と内因性の両方の要因がDNA損傷を引き起こし、細胞メカニズムによって容易に修復されます。 DNA損傷の修復には3種類の細胞メカニズムが関与しています。それらは、ベースの直接反転、一本鎖損傷修復、および二本鎖損傷修復です。

画像提供：

1.コモンズウィキメディア経由の「ブローククロモ」（CC BY-SA 3.0）2。「シクロブタンピリミジンダイマーを含むDNA」J3D3による–コモンズウィキメディア経由の自作（CC BY-SA 4.0）3。レディオブハッツによる「Dnarepair baseexcersionen」 –（パブリックドメイン）コモンズウィキメディア4経由。「1756-8935-5-4-3-l」ハネスランズ、ユルゲンAマルテイイン、ウィムバーミューレン–コモンズウィキメディア経由のBioMed Central（CC BY 2.0）