DNA再複製

DNA再複製（DNA re-replication）

DNA再複製とは、真核細胞において、通常1回の細胞周期中に1度だけ複製されるべきゲノムDNAが、複数回複製されてしまう異常な現象を指します。この現象は細胞にとって極めて危険であり、致死的な結果をもたらすことがあります。再複製はゲノムの不安定性を引き起こす主要な要因の一つと考えられており、ヒトで見られる様々ながんの発生や進行に深く関与している可能性が指摘されています。

真核細胞は、このような危険な再複製を防ぐために、幾重にも張り巡らされた巧妙な制御機構を進化させてきました。これらの機構は、主にサイクリン依存性キナーゼ（CDK）という酵素の活性によって厳密に調整されています。複数のDNA複製制御メカニズムが連携し、DNA複製が開始される場所である「複製起点」が同じ細胞周期中に二度活性化されること（再ライセンス化）を阻止します。さらに、もし再複製が起こりそうになった場合や実際にDNA損傷が生じた場合には、細胞周期チェックポイントやDNA損傷チェックポイントが作動し、細胞分裂を一時停止または永続的に停止させることで、異常な細胞の増殖を防ぎます。ゲノムの情報が親から子、世代を超えて正確に伝えられるためには、このDNA再複製の厳格な制御が不可欠です。

複製開始点とライセンス化

DNA複製は常に特定の場所、すなわち複製起点から開始されます。酵母では、複製起点には「ARS（autonomously replicating sequence）」と呼ばれる特徴的なDNA配列が含まれており、染色体上におよそ30 kb間隔で配置されています。このARS配列は、どこにあっても複製を開始できる能力を持ちます。長さは100〜200 bp程度で、中でも「Aエレメント」と呼ばれる領域が最も保存性が高い部分です。Aエレメントは、他の保存性エレメントである「Bエレメント」と共に、複製起点認識複合体（ORC）が結合し、その後の複製開始に必要な複合体を形成するための足場となります。こうした特定の配列の存在と繰り返しが、複製起点の認識において最も重要であると考えられています。

一方、動物細胞における複製起点の分布は、酵母のように規則的ではなく、染色体上にランダムに配置されているように見えます。動物細胞の複製起点がARSのような機能を示す場合もありますが、複製が実際に開始されるかどうかは、局所的なクロマチンの構造がより大きな影響を及ぼしているようです。S期（DNA合成期）には、20〜80箇所の複製起点を含む「レプリコンクラスター」と呼ばれる領域が同時に活性化されます。全ての複製起点はS期中に活性化されますが、高密度に凝縮したヘテロクロマチン領域は、より開いた構造のユークロマチン領域に比べて複製酵素がアクセスしにくいため、一般的に複製開始が遅れる傾向があります。また、複製がいつ、どこで始まるかには、エピジェネティックな要因も大きく関わっています。

複製起点のライセンス化とその制御

真核生物がDNA再複製を防ぐ主要なメカニズムは、複製起点の「ライセンス化」を厳密に制御することに集約されます。ライセンス化とは、S期にDNA複製を開始するための準備段階であり、通常はG1期後半からS期初期にかけて行われます。この過程では、「複製前複合体（pre-RC）」と呼ばれるタンパク質複合体が複製起点に組み立てられます。

ライセンス化は、多サブユニット型のATP分解酵素であるORCが複製起点DNAに結合することから始まります。クロマチンに結合したORCは、AAA+型ATPアーゼであるCdc6と、コイルドコイルタンパク質であるCdt1を呼び寄せます。Cdt1の結合と、ORCおよびCdc6のATP分解活性が協力して、DNAヘリカーゼ活性を持つMCM複合体（MCM2-7サブユニットから構成）をクロマチン上にロードします。MCM複合体は複製起点でDNAの二重らせんをほどき、2本の鎖に分離させることで、その後の複製フォークの進行を可能にします。

G1期後半にCDK活性が上昇すると、これが引き金となって複製起点でのDNA複製が開始され、pre-RCは解体されます。CDKの高い活性は細胞分裂が終了するまで維持され、この高レベルのCDK活性がpre-RCの構成要素をリン酸化修飾するなどして不活性化または分解することで、複製起点が同じ細胞周期中に再びライセンス化されることを防ぎます。細胞分裂終盤になりCDK活性が低下するまで、新たなMCM複合体をロードすることはできません。したがって、CDKは真核生物のDNA複製調節において、非常に重要な二重の役割を果たしていると言えます。つまり、CDK活性の上昇は複製開始を促進すると同時に、その後の再ライセンス化を強く抑制するのです。この精緻なシステムによって、同じ複製起点が1回の細胞周期中に二度発火することが厳格に防がれています。

DNA複製調節のモデルと生物種間の多様性

DNA複製調節に関する初期の研究は、複製起点が細胞周期中に「G1期の複製前状態」と「複製開始から有糸分裂までの複製後状態」という、互いに異なる2つの状態を交互にとることを示唆しました。複製開始に必要なライセンス化因子は、複製前状態の複製起点にのみ結合できます。G1期からS期への移行時にこれらの因子は不活性化され、その細胞周期中は再び活性化されることはありません。ORC、Cdc6、Cdt1、MCM複合体がライセンス化因子として同定され、その性質が明らかになったことで、この「2状態モデル」の妥当性が高まりました。また、細胞周期を通じて増減するCDKの活性変動が、このライセンス化因子の制御を通じて再複製を防ぐ主要な手段であることが示唆されました。

DNA複製の調節機構は、最も研究が進んでいる出芽酵母（Saccharomyces cerevisiae）で詳細に解明されています。出芽酵母では、CDKがpre-RCの構成要素であるCdc6、MCM2-7、ORCのサブユニットを直接リン酸化することで、pre-RCの再構築を防ぎます。これらのリン酸化はS期の開始と共に起こり、CDK活性が高い間、つまり細胞周期の残りの期間を通じて維持されます。リン酸化されたCdc6はユビキチンリガーゼであるSCFに結合し、分解へと導かれます。MCM2-7タンパク質のCDKによるリン酸化は、MCM複合体を核外へ輸送させます（これに結合しているCdt1も同様に輸送されます）。ORCサブユニットのリン酸化は、ORCが他のpre-RC構成要素に結合するのを妨げると考えられています。これらの複数の機構が協力し、複製後の複製起点でpre-RCが再び組み立てられることを確実に阻止しています。

pre-RC組み立てのCDKによる制御は、進化的に高度に保存されていると考えられていますが、生物種によっていくつかの違いも報告されています。多細胞真核生物では、pre-RCの組み立てはCDKに加えて、後期促進複合体（APC）によっても調節されています。APCはE3ユビキチンリガーゼであり、Cdt1に結合してこれを阻害するタンパク質であるジェミニンを分解標的とします。通常、ジェミニンはCdt1に結合することで複製起点のライセンス化を防いでいます。G1期にはAPCの活性が高くジェミニンの蓄積が抑えられるため、間接的にpre-RCの組み立てが促進されます。G1期末にAPCが不活性化されるとジェミニンが蓄積し、これが再ライセンス化を阻止します。

また、Cdt1の発現量は通常、E2Fを介した転写活性化や、アセチル化酵素のOrc1への結合によって増加します。Cdt1の分解は、様々な高等真核生物で保存された重要な制御機構です。Cdt1は、Cul4-Ddb1-Cdt2というE3ユビキチンリガーゼ複合体によってS期とG2期に分解され、ライセンス化制御が維持されます。Cdt1は重要な調節タンパク質であり、生物によって異なる制御経路が進化したことが示唆されています。Cdt1の過剰な発現やジェミニンの機能不全は、再複製を引き起こすことが知られています。一方で、大部分の動物におけるpre-RCの調節メカニズムについては、まだ完全に解明されていない部分も多く残されています。

再複製が細胞に与える影響とがんとの関連性

DNA再複製やそれに伴う細胞分裂の異常は、通常、細胞周期制御機構の欠陥によって引き起こされる偶発的なイベントであり、プログラムされた過程ではありません。再複製が起こると、DNAに二本鎖切断が生じやすく、これがDNA損傷応答ネットワークを活性化させます。その結果、細胞周期がG2期で停止することがあります。このチェックポイント応答は、細胞の増殖を永続的に停止させたり、最終的にはアポトーシス（プログラムされた細胞死）を引き起こしたりすることで、異常な細胞を取り除くように働きます。

実験的には、複製起点の再ライセンス化を防ぐ複数の機構を同時に破壊することで、意図的に再複製を誘導することが可能です。例えば出芽酵母細胞では、ORC、MCM2-7、Cdc6を介した制御機構に異常が生じると再複製が誘発されます。近年、これらの複製制御機構はそれぞれが非常に高い効率で再複製を抑制できるものの、機能的に重複している一方で、全く同じ機能を持つ「冗長的な」ものではないことが示唆されています。一つの機構が99%以上の効率で再複製を抑えられたとしても、長期間にわたってゲノムの安定性を維持するには不十分である可能性があるのです。

複製ストレス下の細胞は、複製チェックポイントを活性化し、S期の進行やG2期からM期への移行を遅延させます。野生型のRbとp53を持つヒト骨肉腫細胞株U2OSを用いた研究では、複製ストレスが認識されると、ATMやATRといったキナーゼによって制御されるDNA損傷応答ネットワークが活性化されることが示されています。このチェックポイント応答は、ライセンス化システムの調節に重要なサイクリンEの過剰発現によっても引き起こされ得ます。U2OS細胞でサイクリンEが過剰発現すると、ATM/ATRネットワークによってリン酸化されたp53やγ-H2AX、コヒーシンタンパク質SMC1が増加します。これは、活性酸素による損傷応答とは異なる経路であることが示唆されています。

ATM/ATRネットワークは、Cdt1が過剰に発現している場合にも応答します。Cdt1の過剰発現は、一本鎖DNAや二本鎖切断の蓄積を招きます。ATRは比較的早期の段階で、DNA再複製の初期に生じる一本鎖DNAを検出して活性化されます。ATRはRPA2やMCM2などの下流の複製因子をリン酸化したり、Rbやp53を調節したりします。一方、ATMはより後期の段階で、大量の二本鎖切断が検出された後に活性化されます。ATMは細胞周期停止、アポトーシス、細胞老化に関与するほか、二本鎖切断修復の媒介にも関わっていると考えられていますが、その正確なメカニズムはまだ完全には理解されていません。

モデル生物やヒトを用いた多くの研究が、再複製が腫瘍の形成に関与している可能性を示唆しています。ヒトの様々ながん組織では、複製開始に関わるタンパク質が過剰に発現していることが報告されており、マウス細胞でCdt1やCdc6を実験的に過剰発現させると、腫瘍の発生が誘発されることがわかっています。同様に、ジェミニンを欠損させたマウスでも腫瘍形成率が高まることが報告されています。これらの研究はまた、再複製が異数性（染色体数の異常）、染色体融合、DNA切断を増加させることを明確に示しています。新たな、より効果的ながん治療法を開発するためには、このようなDNA複製調節機構の全容を深く理解することが不可欠です。

酵母では、G1期のCDK活性が低い状態でS期へ移行すると、pre-RCの組み立てが不十分になり複製起点の活性が低下し、その結果、DNAに二本鎖切断が生じやすくなります。一方、がん細胞では、p53やRb/E2Fといった細胞周期や遺伝子発現を制御する経路に異常が生じていることが多く、十分な数の複製起点が準備できていないままS期へ突入してしまうことがあります。これにより、DNAの二本鎖切断が増加し、相同組換えの頻度が上昇したり、不正確な染色体再編成が起こったりすると考えられていますが、こうした損傷が発生する具体的なメカニズムは完全には明らかになっていません。一つの可能性としては、複製起点の活性化不足によってDNA複製が途中で停止したり、不完全な複製が生じたりすることが挙げられます。大規模な再複製は、全てのCDK調節経路が同時に阻害された場合に観察されることが多いようです。

哺乳類細胞においては、再複製の調節におけるCdt1とCdc6の重要性が酵母よりもはるかに高いことが示されています。例えば、非小細胞肺癌患者の約57%（75例中43例）でCdt1とCdc6の過剰発現が観察されています。哺乳類細胞では、Cdc6やORCの過剰発現だけでは大規模な再複製はあまり起こりませんが、Cdt1の過剰発現はそれ単独で致死的なレベルの再複製を引き起こすことがあります。興味深いことに、このような顕著な応答はがん細胞でより顕著に見られる傾向があります。E2Fファミリーのメンバーの過剰発現は、Cdt1とCdc6の発現増加に寄与します。Cdt1またはCdc6を過剰発現している細胞株では、p53による制御機能の喪失も高頻度で観察されており、これが再複製を促進する要因の一つとなっている可能性があります。

核内倍加との関係

細胞周期によって厳密に調節されたDNA複製とは異なる、特殊なDNA複製形態として「核内倍加（Endoreduplication）」があります。これは、DNA合成（S期）が進行するものの、それに続く細胞周期の進行（特に細胞分裂）が伴わない現象で、結果として細胞のDNA量が増加します。核内倍加は、多くの細胞種で広く見られる生理的な現象であり、細胞の特定の機能発現のために制御された過程として生じます。この過程は、通常の分裂細胞に見られる細胞周期チェックポイントや損傷制御機構の一部に従わないことがありますが、無制御な再複製とは異なります。核内倍加は、胚発生や発芽のためにヌクレオチドを貯蔵する手段として、あるいは単に栄養素の貯蔵のために利用される場合があります。一方で、核内倍加はがん細胞でも観察されることがありますが、これが発がん自体を引き起こすのか、あるいは他の変異によって引き起こされる結果なのかについては、まだ十分に解明されていません。これらの変化には、再複製とは異なるメカニズムが関与している可能性も示唆されています。

出典: 上記は提供された情報を元に構成されています。

もう一度検索