ERCC1

ERCC1（Excision Repair Cross-Complementation Group 1）は、ヒトではERCC1遺伝子によって作られるタンパク質です。このタンパク質はERCC4と結合してERCC1-XPF複合体を形成し、DNAの修復や組換えにおいて中心的な役割を果たします。ERCC1とERCC4はDNA修復の場で連携して働くため、両者はしばしば共に研究され記載されています。

ERCC1-XPF複合体は、DNA修復経路の一つであるヌクレオチド除去修復（NER）において必須のヌクレアーゼ（核酸を切断する酵素）として機能します。また、DNA二本鎖の切断箇所を修復する経路や、DNAの2本の鎖が互いに連結してしまう有害な架橋損傷を修復する経路にも関与しています。

ERCC1の機能が失われた変異を持つ細胞は、紫外線照射やDNA鎖間に架橋を形成する化学物質など、特定のDNA損傷因子に対して正常な細胞よりも高い感受性を示すことが知られています。遺伝子改変によりErcc1の機能が損なわれたマウスでは、DNA修復に欠陥が見られ、さらに代謝ストレスによる生理的変化も伴うことで早老の症状が現れます。完全にErcc1を欠失したホモ接合型マウスは生存できず、ヒトにおいてもERCC1のホモ接合型欠失は確認されていません。ヒトの集団においては、ERCC1の機能が低下する遺伝的変異を持つ稀なケースが見られます。こうした変異は、正常な遺伝子が存在しない場合に、コケイン症候群やCOFS症候群といった疾患の原因となることがあります。

遺伝子とタンパク質

ERCC1は、分子クローニングによって単離された、ヒトで初めて特定されたDNA修復遺伝子です。この遺伝子は、紫外光に高い感受性を示すチャイニーズハムスター卵巣（CHO）細胞の変異株にヒトのゲノム断片を導入し、UV耐性を回復させる形で同定されました。この異種間での遺伝的な機能補完を反映して、遺伝子には「Excision repair cross-complementing 1」（切除修復の交差補完群1）という名前が付けられました。

ヒトのERCC1タンパク質は297個のアミノ酸から構成され、分子量は約32.5キロダルトンです。ERCC1と同様の機能を持つ遺伝子（オルソログ）は、出芽酵母のRAD10や分裂酵母のswi10+など、他の真核生物のゲノムにも存在し、研究されています。

ERCC1タンパク質は、1分子のERCC1と1分子のERCC4（XPF）が結合することで、活性を持つヌクレアーゼであるERCC1-XPFヘテロ二量体を形成します。この複合体において、ERCC1はDNA-タンパク質間やタンパク質-タンパク質間の相互作用を仲介する役割を担います。一方、XPFは実際にDNAを切断するエンドヌクレアーゼ活性を持つ部位を持ち、DNA結合やタンパク質間相互作用にも関与します。

ERCC4/XPFには保存されたドメインが2つ存在し、それらの間は配列があまり保存されていない領域で隔てられています。N末端側はDNAヘリカーゼスーパーファミリー2のドメインと相同性がありますが、XPF自体はヘリカーゼ活性を持ちません。ヌクレアーゼ活性を持つ触媒部位はC末端領域に位置しています。ERCC1の大部分はXPFのC末端領域と配列の関連が見られますが、ヌクレアーゼドメインのアミノ酸残基は含まれていません。ERCC1とXPFのどちらにも、C末端にDNAを結合する helix-hairpin-helix (HhH) ドメインが存在します。

構造特異的ヌクレアーゼとしての機能

ERCC1-XPF複合体は、構造に特異性を持つエンドヌクレアーゼです。一本鎖DNAや二本鎖DNAのみを切断するのではなく、二本鎖DNAと一本鎖DNAが結合している部分のDNAホスホジエステル骨格を特定して切断します。切断位置は、この結合部の5'側から約2ヌクレオチド離れた二本鎖DNAの部分です。この構造特異性は、ERCC1-XPFの酵母オルソログであるRAD10-RAD1で初めて示されました。

ERCC1とXPFのC末端にある疎水性のHhHモチーフは相互に作用し、両者の二量体形成を促進します。複合体が二量体化しないと触媒活性は発現しません。触媒活性を持つドメインはXPF内にあり、ERCC1自体は触媒活性を持ちませんが、複合体の機能には不可欠です。

ERCC1-XPFがDNAに結合するメカニズムについては、複合体の関連するタンパク質断片の原子分解能構造に基づき、いくつかのモデルが提唱されています。DNAへの結合はERCC1とXPFのHhHドメインによって媒介され、これらのドメインが複合体を二本鎖と一本鎖の接合部に配置すると考えられています。

DNA修復機構における役割

ヌクレオチド除去修復 (NER)

NERでは、いくつかのタンパク質複合体が連携して損傷DNAを認識し、損傷部位を含む短い範囲のDNAらせんを局所的に開きます。ERCC1-XPFヌクレアーゼは、損傷したDNA鎖の損傷部位よりも5'側に切れ込みを入れます。NERの過程で、ERCC1は他のタンパク質であるXPAと相互作用し、DNAや他のタンパク質との協調的な結合・作用を行います。

DNA二本鎖切断 (DSB) 修復

ERCC1-XPFに変異がある哺乳類細胞は、電離放射線など、DNAに二本鎖切断を引き起こす因子に対して、ある程度の感受性増大を示します。DNAの二本鎖切断を修復する経路である相同組換え修復（HR）と非相同末端結合（NHEJ）の両方にERCC1-XPFの機能が関与しています。どちらの経路でも、ERCC1-XPFの活性は、DNA末端が再結合される前に、損傷部位から生じた非相同な3'一本鎖テールを除去することに関連しています。相同組換えにおいては、この活性は特にsingle-strand annealing (SSA) という経路で必要とされます。また、NHEJ経路でも3'末端の一本鎖テールのトリミングが必要であり、この経路ではKuタンパク質の活性に依存してERCC1-XPFが機能します。相同組換えを利用したDNAのゲノムへの組み込みは遺伝子操作の重要な技術ですが、これは宿主細胞のERCC1-XPF機能に依存しています。

DNA鎖間架橋 (ICL) 修復

ERCC1またはXPFに変異を持つ哺乳類細胞は、DNA鎖間に架橋を引き起こす化学物質などに対し、特に高い感受性を示します。鎖間架橋はDNA複製フォークの進行を阻害し、この複製が止まった部分の構造がERCC1-XPFによる切断の基質となり得ます。修復は、DNAの一方の鎖の架橋部位のすぐ両側に切れ込みを入れて架橋を取り除くことから開始される可能性が示唆されています。別の可能性として、鎖間架橋の近くに二本鎖切断が導入され、その後の相同組換え修復にERCC1-XPFが関与するというモデルもあります。ERCC1-XPFは鎖間架橋修復に関わる唯一のヌクレアーゼではありませんが、細胞周期の特定の段階でこの修復に必要不可欠です。

臨床的意義

遺伝性疾患との関連

ERCC1の機能が著しく失われる重度な変異は、COFS症候群の原因となることが報告されています。COFS症候群は劣性遺伝の稀な疾患で、患者は急速な神経機能の低下と加速した老化の兆候を示します。特に重篤な不活化変異の一つとして、ERCC1のHhHドメインにおけるF231L変異があります。この部位はXPFとの相互作用面に位置し、この単一の変異がERCC1-XPF複合体の安定性に極めて重要であることが示されています。フェニルアラニン残基F231はXPFの重要なフェニルアラニン残基F894を受け入れるのを助けており、F231L変異によってこの機能が妨げられ、F894が相互作用面から突き出すことで複合体が速やかに解離してしまいます。こうした変異を持つ患者の多くは1〜2年程度の寿命となります。

コケイン症候群II型の一部の患者（CS20LOなど）においても、ERCC1遺伝子のエクソン7にホモ接合型変異が見られ、F231L変異を持つタンパク質が産生されることが報告されています。

がん治療における重要性

白金製剤による化学療法に対する薬剤抵抗性のメカニズムの一つとして、ERCC1の高い活性が関与していることが知られています。そのため、ERCC1活性の測定はがんの臨床において有用である可能性があります。ヌクレオチド除去修復（NER）は、腫瘍細胞のDNAから白金製剤によって生じた付加体を除去する主要なDNA修復機構です。ERCC1はNER機構の最終段階における重要な要素であるため、ERCC1の活性レベルはNER全体の効率の指標となり得ます。この指標としての利用は、胃がん、卵巣がん、膀胱がんなどで検討されています。

非小細胞肺がん（NSCLC）においては、手術後に更なる治療を行わない場合、ERCC1が陽性の腫瘍は陰性の腫瘍よりも生存率が高いことが報告されています。これは、ERCC1陽性が治療を受けない場合の病気の進行予測において良好な予後を示すマーカーとなり得ることを意味します。一方、ERCC1陽性のNSCLCは白金製剤を用いた補助療法による効果が得られにくい傾向があります。逆にERCC1陰性のNSCLCは、治療を行わないと予後が悪いものの、シスプラチンなどの白金製剤による化学療法から大きな恩恵を受けられることが分かっています。このことから、ERCC1が高いレベルであることは、特定の種類の治療に対する反応性を示す負の予測マーカーとなり得ます。大腸がんにおいては、オキサリプラチン治療におけるERCC1の予測マーカーとしての有用性は臨床試験では明確に示されていません。そのため、欧州臨床腫瘍学会（ESMO）は、オキサリプラチンの日常的な使用前にERCC1検査を行うことを推奨していません。

ヒトのERCC1遺伝子には、コドン118に大きな多型（個人差）が存在することが知られており、この多型が白金製剤やマイトマイシンによるDNA損傷に対する感受性の個人差を生み出している可能性が指摘されています。

がんにおける発現の異常

ERCC1タンパク質の発現は、大腸がんの84%から100%で低下しているか完全に欠失していることが報告されており、ERCC1の低発現はオキサリプラチン治療を受けた患者の予後不良と関連しています。神経膠腫では、約38%のケースでERCC1のプロモーター領域（遺伝子発現を調節する部位）が異常にメチル化されており、これがmRNAやタンパク質の発現低下を引き起こしています。ERCC1プロモーターのメチル化は、大腸におけるがん化の初期段階で起こるイベントである可能性も示唆されており、がんが発生しやすい領域（発がん素地）の陰窩においても、ERCC1の発現が失われていることが報告されています。

カドミウムとその化合物はヒトの発がん性物質として知られていますが、カドミウムによる悪性形質転換の過程で、ERCC1を含むDNA修復遺伝子のプロモーター領域が高頻度にメチル化され、これらの遺伝子の発現が徐々に減少することが示されています。同時に、カドミウムによるDNA損傷も増加します。

散発性（遺伝性ではない）のがんの進行におけるERCC1タンパク質発現の減少は、遺伝子自体の変異によるものではない可能性が高いです。DNA修復遺伝子の生殖細胞系列（受け継がれる）変異はがんの高リスクに繋がりますが、ERCC1を含むDNA修復遺伝子の体細胞変異（生後取得される）は散発性のがんではあまり頻繁には見られません。

ERCC1タンパク質レベルの制御は、主に翻訳段階で行われていることが示唆されています。ERCC1のmRNAには複数のスプライスバリアントや代替的な転写開始部位が存在しますが、これらがタンパク質濃度と直接相関するわけではありません。HIV感染時、ウイルス由来のmiRNA（TAR miRNA）がERCC1 mRNAの翻訳を抑制し、ERCC1タンパク質の発現を低下させることが報告されています。TAR miRNAはmRNAの転写は許容するものの、細胞質内の顆粒であるP-bodyで作用し、タンパク質合成を妨げます。

また、乳がん細胞株では、一部のmiRNAのプロモーター領域が異常メチル化によってエピジェネティックな抑制を受けていることが分かっています。特に乳がん自体では、let-7a-3/let-7bといったmiRNAのプロモーターメチル化が見つかっており、これらのmiRNAがエピジェネティックに抑制されていることを示唆しています。let-7a miRNAの抑制は、HMGA2遺伝子を介してERCC1の発現抑制に繋がります。通常、let-7a miRNAはHMGA2遺伝子の発現を抑制しており、正常な成体組織ではHMGA2タンパク質はほとんど存在しません。HMGA2はクロマチン構造を変化させることで多くの遺伝子の発現を調節する因子です。HMGA2はERCC1遺伝子を標的としてクロマチン構造を変化させ、その発現を低下させます。let-7a miRNAプロモーター領域の異常メチル化によりlet-7aの発現が低下すると、HMGA2の過剰発現が起こり、結果としてERCC1の発現が低下するというメカニズムが考えられています。

老化の加速と生殖機能

DNA修復機能が不十分なErcc1変異マウスでは、多くの老化の加速した特徴が見られ、寿命も短くなります。この早老は、神経系、肝臓、腎臓など、様々な臓器に影響を及ぼします。Ercc1変異マウスでは、転写共役修復など一部のDNA修復過程が不十分となることで、転写を阻害するようなDNA損傷後のRNA合成再開が妨げられ、これが早老を促進していると考えられています。

興味深いことに、Ercc1変異マウスに食餌制限を行うと、野生型マウスと同様に良好な応答が見られます。食餌制限によって、オスでは10週から35週へ、メスでは13週から39週へと寿命が顕著に延長します。これは、食餌制限が老化を遅らせるだけでなく、ゲノム全体へのDNA損傷蓄積を抑え、転写活性を維持することで細胞の生存能力を高めている可能性を示唆しています。

Ercc1を欠損したマウスは、オス・メスともに不妊となります。Ercc1のDNA修復機能は、精子形成および卵形成を含む、生殖細胞の成熟の全ての段階に必要であると考えられています。Ercc1欠損マウスの精巣においてDNA中の8-オキソグアニン（酸化損傷の指標）が増加していることから、Ercc1がDNAの酸化損傷の除去にも関与していることが示唆されています。

もう一度検索