やぶにらみ生物論５０： ＤＮＡの修復２

ジャン・ジャック・ワイグル(1901～1968）はもともとはスイスでＸ線解析などをやっていた物理学者だったのですが、なぜか米国に渡って微生物学者になりました。彼は１９５３年に不思議な現象を発見しました。彼が培養していたラムダファージを紫外線で不活化し（=殺し）、それを紫外線を照射した大腸菌にとりこませると、ファージは再活性化される（=生き返る）のです（１）。

ワイグルが発見した現象は、その後数十年かけて徐々にその全貌は解明されつつあります。驚くべきことに、この現象は細菌からヒトを含む真核生物に連綿と受け継がれた「ＤＮＡ乗り越え修復 translesion DNA repair = TLS DNA repair」という機構に基づくものであることがわかりました。普段は隠れていたこの機構が、紫外線を照射されるという危機的な状況で表に現れ、生命を救うのです。ですからＳＯＳリペアなどともよばれていました。

図１に示すように、ＤＮＡ複製の際にＤＮＡに損傷が発生し、ＤＮＡポリメラーゼがその位置で停止してしまうと、そこから先のＤＮＡは複製されず、細胞はアンダー・コンストラクションの状態で死を待つことになります。通常２本鎖ＤＮＡの片側に損傷が発生した場合、その部分を切り取って、対面のＤＮＡ配列を利用して修復することができます（http://morph.way-nifty.com/grey/2016/11/post-4728.html）。しかしＤＮＡ複製の際には複製フォーク（レプリケーションフォーク）が形成されているため、損傷部位の対面配列は離れた位置にあり利用できません（図１）。

この問題を解決するために、細菌は「ＤＮＡ損傷乗り越え修復」という技を編み出しました。道で事故車が止まっていたときに、それをレッカー車で移動してから通過するのではなく、いったん歩道に乗り上げて事故車を通過するというような強引なやり方です。損傷部位に乗り上げたＤＮＡポリメラーゼIIIは離脱し、ＲｅｃＡというタンパク質がＡＴＰを使ってＲｅｃＡ複合体を形成すると共に、ＤＮＡポリメラーゼVと共同して損傷部位の対面のＤＮＡを延長します。

なぜ延長できるかというと、ＤＮＡポリメラーゼVは厳密にワトソンクリック型の対面ヌクレオチドを合成するのではなく、かなり特異性が低いという特徴をもっているからです。別の言い方ではフィデリティー（忠実度）が低いとも言います。ですから図２ー２または３にみられるようにＴに対してＧをもってきたりするわけです。

ですがフィデリティーの低さは逆に壊れているＴも壊れていないヌクレオチドと認識することができるという利点があります。このためＤＮＡポリメラーゼIIIが読めなくて停止するような場合でも、涼しい顔で通り過ぎることができるわけです。損傷部位を通り過ぎた段階でＤＮＡポリメラーゼＶはお役御免で、ＤＮＡポリメラーゼIIIにバトンタッチします（図２－４）。この結果間違った塩基配列が形成されたとしても、とりあえず細胞は死を逃れることができます。

ＤＮＡポリメラーゼVは忠実度の低い酵素なので、通常は使われないよう厳しく管理されています。大腸菌に紫外線を照射して数十分後にようやくこの「ＤＮＡ損傷乗り越え修復」という機能が発動します。つまり他の忠実性の高いシステムで修復を試みて、どうしても修復できない場合の最後の手段として使うという意味もあるようです。ＤＮＡポリメラーゼII や ＤＮＡポリメラーゼIV もＤＮＡ乗り越え修復の機能があるようですが、詳細は不明のようです（２）。

ＤＮＡポリメラーゼＶなどのＴＬＳポリメラーゼ（乗り越え修復ＤＮＡポリメラーゼ）は、細菌・古細菌で類似しているだけでなく、真核生物においてもその遺伝子構造が引き継がれており、ヒトも例外ではありません。このような祖先生物から複数の種に機能・構造が引き継がれている遺伝子をオルソログといいます。真核生物のＴＬＳポリメラーゼにはイオタ、エータ、ゼータ、カッパがあります。大腸菌のＰｏｌIV・ＰｏｌV、古細菌のＤｐｏ４、真核生物のＰｏｌイオタ・Ｐｏｌエータ・ＰｏｌカッパはＹファミリーとよばれるオルソログ、大腸菌のＰｏｌIIと真核生物のＰｏｌゼータはＢファミリーというオルソログのグループを形成しています（２）。

このほかにも２本鎖がどちらも切断されたときとか、組み替え修復などの機構を生物は持っていますが、ここでは触れません。

いろいろなＤＮＡポリメラーゼが話しの中に出てきて混乱するので、大腸菌と真核生物の各種ＤＮＡポリメラーゼをリストアップして、簡単な解説をつけることにしました。

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E.Coli（大腸菌）

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ＤＮＡポリメラーゼ I :

１９５６年に、アーサー・コーンバーグによって最初に発見されたＤＮＡポリメラーゼ。この酵素が働かなくても大腸菌は生存可能なので、ＤＮＡの複製に必須ではありませんが、このような株は紫外線の感受性が高いことが知られています。またこの酵素はＴＳＬ型ではないため、主に各種除去修復の際のＤＮＡ合成に関与していると考えらています。この酵素の特徴はエキソヌクレアーゼ活性（3'→5'）を持っていることで、そのことによって間違った塩基のペアができた場合、鋳型の上を逆走してそれらを分解し、ＤＮＡ合成をやりなおすことができます。これは校正機能とよばれています。

また逆方向（5'→3'）のエキソヌクレアーゼ活性も持っているため、おしりでＤＮＡ合成しながら頭でＤＮＡ分解を行うことができます。したがって頭の位置にあるＤＮＡの断点（ニック）を、結果的に進行方向にずらしていくことが可能で、これをニックトランスレーションと呼びますが、この反応を行わせるときに放射性のヌクレオチドを入れておくと、ＤＮＡが放射能で標識されます。この機能を使えば手持ちのＤＮＡをとりあえず標識できるので、研究上便利です。

この酵素がなくても大腸菌は生存可能とはいえ、あった場合はＤＮＡの複製に関与すると言われています。ウィキペディアによるとＲＮＡプライマーが分解されたあとのギャップを埋めるのに使われるとされています。
https://en.wikipedia.org/wiki/DNA_polymerase_I

この酵素は真核生物のミトコンドリアに存在するＤＮＡポリメラーゼガンマとオルソログであり、Ａファミリーを形成します。

ＤＮＡポリメラーゼ II :

この酵素はＤＮＡポリメラーゼI と同様な校正機能を持っていて、しかも忠実度（フィデリティー）が非常に高いので、ＤＮＡポリメラーゼＩＩＩが正しいペア形成に失敗したときに修正する機能があるとされています。ラギング鎖のＤＮＡ合成を行なうとも言われています。ＤＮＡにクロスリンクができてしまったときの処理に働いているという説もあります。バックアップ用の酵素かもしれませんが、まだ未解明な部分が多いと思われます。
https://en.wikipedia.org/wiki/DNA_polymerase_II

大腸菌のＤＮＡポリメラーゼＩＩは古細菌から発見されたPol B1, Pol B3、真核生物の Polアルファ、Polデルタ、Polイプシロン、Polゼータなどとオルソログであり、Ｂファミリーを形成しています。細菌のＤＮＡ複製の主役はＤＮＡポリメラーゼＩＩＩ（Ｃファミリー）なのですが、古細菌や真核生物はこれを没にして、Ｂファミリーの酵素群を主役に抜擢しています。

ＤＮＡポリメラーゼ III ：

トーマス・コーンバーグとマルコム・ゲフターによって１９７０年に報告されました。細胞増殖のために行われるＤＮＡの複製を担う酵素としては、はじめて発見されたＤＮＡポリメラーゼです。ＤＮＡ合成を行うために他の多くの因子とＤＮＡレプリソームという複合体を形成して働きます。3'→5'エキソヌクレアーゼ活性を持っており、校正機能があります。
https://en.wikipedia.org/wiki/DNA_polymerase_III_holoenzyme

ＤＮＡポリメラーゼIIのところで述べたように、この酵素ファミリー（Ｃファミリー）は古細菌や真核生物では用いられていません。非常に完成度が高かったため、生物の変化に対応できなかった可能性があります。

ＤＮＡポリメラーゼIV：

ＤＮＡ損傷乗り越え修復を行なう酵素です。ＤＮＡ合成が途中で停止したような場合に大量に出現し、合成を完了させるための損傷乗り越え修復を行ないます。この酵素を欠損する株では、ＤＮＡの損傷をひきおこすような薬剤を投与した場合に、突然変異の確率が高まることが知られています。
https://en.wikipedia.org/wiki/DNA_polymerase_IV

ＤＮＡポリメラーゼV:

ＤＮＡポリメラーゼIVと同様、ＤＮＡ損傷乗り越え修復を行ないます。IVと共にＹファミリーを形成し、古細菌や真核生物にも多くのオルソログが存在する大ファミリーです。Ｙファミリーの酵素は、忠実度を低くすることによって、鋳型（テンプレート）が損傷を受けてもＤＮＡ合成を継続させるのが仕事なのですが、それでも損傷を受けた鋳型に対して、正しい対面ヌクレオチドを選択するに超したことはありません。従って受けた損傷の形に応じて使う酵素を変えて、より正確な複製を行うために種類が増えたのかもしれません。
https://en.wikipedia.org/wiki/DNA_polymerase_V

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真核生物：

ＤＮＡポリメラーゼアルファ（α）：

プライメースと複合体を形成して、ＤＮＡ合成をスタートさせる役割を担っています。プライマーの末端3'OHからＤＮＡ鎖を延長していきますが、２０ヌクレオチドあるいはそれ以内の鎖を合成したところで、デルタやイプシロンと交代します（３）。エキソヌクレアーゼ活性を持っておらず、校正機能が無いため、デルタやイプシロンほど正確な複製ができません。ＢファミリーのＤＮＡポリメラーゼです。

ＤＮＡポリメラーゼベータ（β）：

塩基除去修復に必要とされている酵素です。ＤＮＡポリメラーゼラムダやＤＮＡポリメラーゼミューと同じＸファミリーに所属します（４）。しかしラムダやミューはベータとは別の役割を果たしているようです（４）。細菌のＤＮＡポリメラーゼＸは研究が進んでいないようです。

ＤＮＡポリメラーゼガンマ（γ）：

ミトコンドリアに存在し、ミトコンドリアのＤＮＡ複製に関与すると考えられています（５）。大腸菌のＤＮＡポリメラーゼ I と同じＡファミリーに所属しています。ミトコンドリアは活性酸素が多い環境なので、ＤＮＡはダメージを受けやすく、この酵素が校正機能を持っていることには大きなメリットがあります。

ＤＮＡポリメラーゼデルタ（δ）：

ＤＮＡを複製および修復するときに用いられます。以前はラギング鎖のみ複製すると考えられていましたが、リーディング鎖の複製も行っているようです（６）。Ｂファミリーに所属し、校正機能を持っています。

ＤＮＡポリメラーゼイプシロン（ε）：

ＤＮＡを複製および修復するときに用いられます。主にリーディング鎖の複製を行っていると考えられますが、これはデルタで代用できるようです。しかしそれ以外に、２重鎖になっているＤＮＡをほどいてルーズな状態に変化させるヘリケースを活性化する機能があり、これによって複製フォークが形成されるようで、こちらの機能は代替不可だそうです（７）。Ｂファミリーに所属し、校正機能を持っています。

ＤＮＡポリメラーゼ　ラムダ（λ）＆ミュー（μ）：

ＤＮＡの２本鎖が両方とも切れたときの修復（非相同末端結合）に使われるようです。また相同組み換えにも使われるようですが、まだ詳しく研究されていないようです（４）。いずれもＸファミリーに所属しています。

ＤＮＡポリメラーゼ　イオタ（ι）、エータ（η）、ゼータ（ζ）、＆　カッパ（κ）

いずれもこの記事で取り上げたＤＮＡ乗り越え修復に関与する酵素です。エータのようにチミンダイマーの対面をきちんとＡＡに修復できるエラーレスの酵素もあれば、エラーの確率が高い酵素もあります。ゼータはＢファミリーですが、他の３つはＹファミリーに所属します。

他にも特殊な酵素がいくつかありますが、ここでは述べません。文献（８、９）などを参照してください。

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参照：

1. J. J. WEIGLE, INDUCTION OF MUTATIONS IN A BACTERIAL VIRUS, Proc. Natl. Acad. Sci. USA vol.39, pp.628-636
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC1063835/pdf/pnas01592-0060.pdf

2. M.F. Goodman and R. Woodgate, Translesion DNA polymerases., Cold Spring Harbor Perspectives in Biology, No.29, pp.1~20 (2016)
http://cshperspectives.cshlp.org/content/early/2013/07/08/cshperspect.a010363

3. L. Pellegrini, The Pol alpha -primase complex. Subcell Biochem. vol.62, pp. 157-169 (2012)

4. J. Yamtich and J.B. Sweasy, DNA polymerase family X: function, structure, and cellular roles., Biochim Biophys Acta. vol.1804, pp.1136-1150 (2010)
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/19631767

5. R. Krasich1, W.C. Copeland, DNA polymerases in the mitochondria: A critical review of the evidence. Frontiers in Bioscience, Landmark, 22, pp.692-709 (2017)
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/27814640

6. R.E. Johnson, R. Klassen, L. Prakash, and S. Prakash, A Major Role of DNA Polymerase δ in Replication of Both the Leading and Lagging DNA Strands., Mol. Cell. vol. 59, pp.163–175. doi:10.1016/j.molcel.2015.05.038. PMC 4517859Freely accessible. PMID 26145172

7. T. Handa et al., DNA polymerization-independent functions of DNA polymerase epsilon in assembly and progression of the replisome in fission yeast., Mol Biol Cell, vol.23, pp.3240-3253 (2012), doi: 10.1091/mbc.E12-05-0339
https://www.bio.sci.osaka-u.ac.jp/newinfo/info72.html

8. 道津貫太郎、横井雅幸、花岡文雄、立体構造解析から見えてきた損傷乗り越えDNA複製の分子メカニズム. 放射線生物研究　vol. 46，pp. 1-14 (2011)
こちら

9. S. Doublie and K.E. Zahn, Structural insights into eukaryotic DNA replication. Frontiers in Microbiology. vol.5, pp.1-34 (2014)