非相同末端結合

非相同末端結合（NHEJ）

非相同末端結合（non-homologous end joining, NHEJ）は、細胞がDNAの二重鎖に生じた切断（DSB）を修復するために用いる主要なメカニズムの一つです。DNAの二本の鎖が完全に切断された状態は、ゲノムの安定性にとって非常に危険であり、NHEJはこれを迅速に修復する役割を担います。

相同組換えとの比較と特徴

DNA二重鎖切断のもう一つの主要な修復経路に「相同組換え（homologous recombination）」がありますが、NHEJはこれとはいくつかの点で異なります。

• - 姉妹染色分体の非必要性: 相同組換えが修復の鋳型として姉妹染色分体や相同染色体上の配列を必要とするのに対し、NHEJは切断されたDNAの末端を直接つなぎ合わせるため、これらの鋳型を必要としません。
• - 細胞周期: 相同組換えが主にS期やG2期（DNA複製後）に機能するのに対し、NHEJは細胞周期のどの段階でも機能することが可能です。
• - 変異の導入: NHEJはDNA末端をそのまま、あるいはわずかな処理を加えて結合するため、切断箇所において短い欠失や挿入といった変異が導入されやすいという側面があります。これは、特にゲノムの特定の場所で意図的にDNAを切断するシステム（例：CRISPR-Cas9）を利用する際に考慮すべき点です。

NHEJが関わる生体システム

NHEJは、細胞が様々な原因で受けた偶発的なDNA損傷（放射線や化学物質などによるもの）による二重鎖切断の修復に重要な役割を果たします。それに加えて、免疫系の発達においてプログラムされたDNA切断の結合にも利用されています。具体的には、抗体の多様性を生み出すためのV(D)J組換えや、抗体のクラスを切り替えるクラススイッチ組換えといった過程で生じるDNA二重鎖切断の結合にNHEJが不可欠です。

NHEJの分類

NHEJ経路は、主に二つに分類されます。

1. 典型的なNHEJ (classical NHEJ, C-NHEJ): こちらが一般的な経路であり、特定のタンパク質群が協調して機能します。
2. 代替的なNHEJ (alternative end joining, AEJ; backup NHEJ, B-NHEJ; microhomology-mediated end joining, MMEJ): DNA末端に存在する短い相同配列（マイクロホモロジー）を利用して結合する経路で、C-NHEJとは異なるタンパク質が関与します。

本稿では主に典型的なNHEJについて詳述します。

ヒトにおけるNHEJのメカニズムと関与タンパク質

ヒトをはじめとする真核生物のNHEJメカニズムは基本的に共通していますが、酵母など一部の生物では主要なタンパク質であるDNA-dependent protein kinase catalytic subunit (DNA-PKcs)が存在しないなど、若干の違いも見られます。ヒトのNHEJは、大きく分けて以下の三つのステップで進行します。

1. 対合（Synapsis / End Bridging）: 切断されたDNA末端を認識し、互いに引き寄せて結合可能な状態にする段階です。
2. 末端処理（End Processing）: DNA末端の構造が直接結合に適さない場合、ヌクレアーゼやポリメラーゼによって末端を修飾する段階です。
3. 末端結合（End Joining / Ligation）: 処理されたDNA末端をDNAリガーゼによって共有結合でつなぎ合わせる段階です。

これらのステップには、多数のタンパク質が協調して機能します。主要なタンパク質には、Ku70とKu80からなるKuヘテロ二量体、DNA-PKcs、Artemis、DNA polymerase μ (pol μ)、DNA polymerase λ (pol λ)、XRCC4、DNA ligase IV (LigIV)、XLF/Cernunnos、PAXXなどがあります。その他にも、MRN複合体、53BP1、PNKP、Aprataxin、APLF、TdT、WRNなども関与することが知られています。

これらのタンパク質の招集や活性化の正確な時系列は、DNA末端にKuが結合することがNHEJ開始の主要な引き金であること以外、まだ完全に解明されていません。

各ステップの詳細

1. 対合

DNA二重鎖切断が生じると、まずKuヘテロ二量体が速やかにDNAの切断末端に結合します。Kuは「ドーナツ」状の構造でDNA末端を捉え、保護する役割も持ちます。Kuが結合すると、主要なキナーゼであるDNA-PKcsがKu80を介して招集され、DNA、Ku、DNA-PKcsが複合体（DNA-PK複合体）を形成します。このDNA-PK複合体が他のDNA-PK複合体と相互作用することで、離れていたDNA末端が物理的に引き寄せられ、対合（synapsis）されます。対合したDNA-PK複合体は自己リン酸化を起こし、これによりコンホメーションが変化してDNA末端が他の修復タンパク質にアクセス可能な状態になります。Ku/DNA-PK複合体だけでなく、XRCC4とXLFの複合体が形成するフィラメント構造もDNA末端の対合に関与することが報告されています。また、XRCC4とXLFの類縁タンパク質であるPAXXもKuと協力し、NHEJ関連タンパク質を損傷部位に安定化させ、NHEJ効率を高めることが知られています。

2. 末端処理

DNAの切断末端の構造は、損傷の種類によって多様です。平滑末端や突出末端など様々な形状があり、場合によってはそのままではLigIVによって結合できない構造になっています。このような場合、DNA末端は結合に適した形にするために、ヌクレアーゼによる切断やポリメラーゼによるギャップ修復といった処理を受けます。

Artemisは、DNA-PKcsと複合体を形成し、DNA-PKcsによるリン酸化を受けて活性化されるヌクレアーゼです。特に、切断によって生じたヘアピン構造のDNA末端を開く機能や、エンドヌクレアーゼ活性を持ち、複雑な末端の処理に寄与します。相補的なDNA鎖が損傷によって失われた部分は、DNA polymerase μ (pol μ)やDNA polymerase λ (pol λ)といった特殊なポリメラーゼによって埋められます。これらのポリメラーゼはBRCTドメインを持ち、KuやLigIV/XRCC4複合体と相互作用してDNA末端にリクルートされます。特に初期リンパ球においては、同じポリメラーゼXファミリーに属するTdT（terminal deoxynucleotidyl transferase）もBRCTドメインを介してKuやLigIV/XRCC4複合体と協調し、V(D)J組換えにおけるDNA末端処理（N領域の付加）に関与します。さらに、Ku自身がリアーゼとして機能したり、PNKP、Aprataxin、APLFといった酵素がCK2によってリン酸化されたXRCC4と相互作用してDNA末端のリン酸基や損傷した塩基の除去などを行うことが知られています。

3. 末端結合

DNA末端の処理が完了し、結合に適した状態になると、最終的にDNAリガーゼによって二本のDNA鎖が共有結合で連結されます。このステップは主に、DNA ligase IV (LigIV)、XRCC4、XLFから構成されるリガーゼ複合体によって実行されます。これらのタンパク質は、DNA-PK複合体など他のNHEJタンパク質との相互作用を通じてDNA末端に招集されます。LigIV自体がDNAリガーゼ活性を持ちますが、単独では不安定であり、細胞内では常にXRCC4と安定な複合体を形成して機能していると考えられています。XLFはLigIV/XRCC4複合体の活性を補佐する役割を持ち、DNA末端のミスマッチがあっても結合を促進したり、LigIVの活性化に必要なアデニル化反応を助けたりすることが知られています。

NHEJタンパク質遺伝子の異常と遺伝病

NHEJ経路に関わる主要なタンパク質、例えばDNA-PKcs、LigIV、Artemis、XLF、XRCC4などの遺伝子に異常があると、NHEJ機能が損なわれ、様々な遺伝性疾患を引き起こすことが知られています。

代表的なものにLIG4症候群があります。これはLigIVをコードするLIG4遺伝子の変異によって、機能が低下したLigIVタンパク質が作られることで発症します。LIG4症候群の患者さんには、小頭症、重度の成長遅延、放射線に対する感受性の亢進、血球減少、免疫不全（重症複合型免疫不全、SCIDを含む場合がある）といった多様な症状が現れます。また、白血病や悪性リンパ腫などの悪性腫瘍を発症するリスクも高まります。LIG4症候群の患者に共通して見られる症状は免疫不全であるとされてきましたが、近年ではむしろ極端な成長阻害が最も顕著な特徴であるとも考えられています。

これらの疾患は、DNA修復能力の低下が細胞増殖や免疫システムに深刻な影響を与えることを示しています。

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