ERCC4

ERCC4（XPF）

ERCC4は、XPF（xeroderma pigmentosum complementation group F）とも呼ばれる、ヒトではERCC4遺伝子によってコードされるタンパク質です。このタンパク質は、DNAの損傷を修復したり、遺伝情報の組換えを行うプロセスにおいて中心的な役割を担います。特に、ERCC1という別のタンパク質と強く結合し、ERCC1-XPF複合体を形成して機能します。この複合体は、DNAの特定の構造を認識して切断する酵素（ヌクレアーゼ）としての活性を持ちます。DNA修復のパートナーであるERCC1とERCC4は、その機能や特性において多くの共通点が見られます。

ERCC1-XPF複合体は、DNAのヌクレオチド除去修復（NER）経路において必須のヌクレアーゼです。NERは、紫外線などによって生じた大きなDNA損傷を修復する主要なメカニズムです。さらに、ERCC1-XPFヌクレアーゼは、DNAの二本鎖が完全に切れてしまった損傷（二本鎖切断）や、二つのDNA鎖が化学的に結合してしまった有害な鎖間架橋（ICL）損傷の修復経路においても重要な機能を果たします。

ERCC4遺伝子に不活化変異を持つ細胞は、紫外線照射やDNA鎖間に架橋を引き起こす化学物質など、特定のDNA損傷因子に対する感受性が正常細胞よりも高くなることが知られています。同様に、Ercc4遺伝子を不活化した遺伝子改変マウスでは、DNA修復に欠陥が生じ、代謝ストレスに伴う生理的変化によって早老が引き起こされます。興味深いことに、Ercc4遺伝子を完全に欠失させた（ホモ接合型欠失）マウスは生存できません。ヒトにおいても、ERCC4のホモ接合型欠失は見つかっていません。ヒト集団においては、稀にERCC4の機能不全を引き起こす遺伝的変異を持つ個体が存在します。これらの変異がホモ接合体や複合ヘテロ接合体として存在し、正常な遺伝子の機能が失われた場合に、色素性乾皮症（XP）、コケイン症候群（CS）、ファンコニ貧血（FA）などの重篤な遺伝性疾患の原因となることがあります。

遺伝子の特徴

ERCC4遺伝子の発見は、紫外線に高い感受性を示すチャイニーズハムスター卵巣（CHO）細胞を用いた研究に端を発します。特定の紫外線感受性変異株にERCC4遺伝子を導入することで、そのDNA修復の欠陥が修正され、紫外線への耐性が回復したのです。CHO細胞にはいくつかの独立した相補群が存在しますが、この遺伝子はcomplementation group 4に属する細胞の表現型を回復させたため、「Excision repair cross-complementing 4」すなわちERCC4と命名されました。これは、ヒトの遺伝子がハムスター細胞の欠陥を相補した（補った）ことを反映しています。

ヒトのERCC4遺伝子は、916個のアミノ酸からなる約104 kDaのタンパク質をコードしています。ERCC4と同等の機能を持つ類似遺伝子（オルソログ）は、酵母などの他の真核生物にも広く存在しており、例えば出芽酵母のRAD1遺伝子や分裂酵母のrad16+遺伝子がよく研究されています。

タンパク質の構造と複合体

活性を持つERCC1-XPFヌクレアーゼは、1分子のERCC1と1分子のERCC4（XPF）が結合して形成されるヘテロ二量体です。この複合体において、ERCC1はDNA-タンパク質間およびタンパク質-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、ERCC4（XPF）はDNAを切断するためのエンドヌクレアーゼ活性部位を持ち、さらにDNA結合や他のタンパク質との相互作用にも関与しています。

ERCC4/XPFタンパク質には、二つのよく保存された構造ドメインが存在し、その間は比較的配列が多様な領域で隔てられています。N末端側の領域は、DNAヘリカーゼスーパーファミリーIIのいくつかの保存ドメインと類似性が見られますが、XPF自体はDNAヘリカーゼとしての活性を持ちません。ヌクレアーゼ活性の中心となるアミノ酸残基はC末端領域に位置しています。ERCC1タンパク質の大部分はXPFのC末端領域とアミノ酸配列が似ていますが、ヌクレアーゼ触媒に必要な残基は含まれていません。ERCC1とXPFのどちらも、C末端にはDNAに結合するためのヘリックス-ヘアピン-ヘリックス（HhH）モチーフと呼ばれる構造を持っています。

構造特異的なヌクレアーゼ活性

ERCC1-XPF複合体は、構造特異的エンドヌクレアーゼとして機能します。これは、DNAの特定の形状だけを選んで切断することを意味します。一本鎖DNAや完全に二本鎖のDNAに対してはほとんど切断活性を示しませんが、二本鎖DNAと一本鎖DNAが結合する部分（連結部）を特異的に認識し、この連結部から5'側（上流側）へ約2ヌクレオチド離れた二本鎖領域のDNAホスホジエステル骨格に切れ込みを入れます。この構造特異性は、酵母のRAD10-RAD1複合体（ERCC1-XPFのオルソログ）の研究で初めて確認されました。

ERCC1とXPFのC末端に存在する疎水性のHhHモチーフは、互いに強く結合し、二量体形成を促進します。このヘテロ二量体を形成しない限り、触媒活性はほとんど示されません。触媒ドメインはXPF内にありますが、ERCC1自体には触媒活性はなくとも、複合体全体の活性にはERCC1の存在が不可欠です。ERCC1-XPFがDNAに結合するメカニズムについては、関連タンパク質断片の原子分解能構造解析に基づいたモデルが提唱されており、HhHドメインを介した結合が複合体を適切な切断部位に誘導すると考えられています。

関与するDNA修復経路

ヌクレオチド除去修復 (NER)

NER経路では、複数のタンパク質複合体が協力してDNA損傷を認識し、損傷部位の周囲のDNAらせんを局所的に開きます。ERCC1-XPFヌクレアーゼは、損傷を含むDNA鎖の損傷部位から5'側に単一の切れ込み（ニック）を導入します。この過程で、ERCC1はXPAタンパク質とも相互作用し、他のDNA修復因子との連携を助けています。

二本鎖切断 (DSB) 修復

DNA二本鎖切断を引き起こす電離放射線などに対する哺乳類細胞の感受性は、ERCC1やERCC4に変異があるとある程度上昇します。二本鎖切断の主要な修復経路である相同組換え修復（HR）と非相同末端結合（NHEJ）のどちらにおいても、ERCC1-XPFが機能に関与しているとされています。特に、DNA鎖が再結合する前に、末端から突出した不揃いな一本鎖部分（3'一本鎖テール）を正確に除去する「トリミング」活性にERCC1-XPFが関与していると考えられています。HR経路の一種である一本鎖アニーリング（SSA）では、この活性が必須です。NHEJ経路においても末端トリミングは重要であり、ERCC1-XPFはこの経路でもKuタンパク質などと協調して働く可能性があります。また、遺伝子工学で用いられる相同組換えを利用したDNA組み込み技術は、ホスト細胞のERCC1-XPF機能に依存することが知られています。

鎖間架橋 (ICL) 修復

DNA鎖間架橋を引き起こす化学物質に対する感受性は、ERCC1やERCC4に変異を持つ哺乳類細胞で特に顕著です。鎖間架橋はDNA複製フォークの進行を強く阻害し、停止した複製フォーク部分に形成される特殊な構造がERCC1-XPFによる切断の基質となります。修復は、架橋されたDNA鎖の片方に切れ込みを入れて架橋を解放することで開始される可能性や、架橋部位近くに二本鎖切断が導入され、その後のHR修復にERCC1-XPFが関与する可能性が示唆されています。ERCC1-XPFはICL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不可欠な役割を担っています。

臨床的意義

ERCC4遺伝子の機能不全は、いくつかの重篤な遺伝性疾患と関連しています。

色素性乾皮症（XP）: 紫外線に極めて過敏で、皮膚がんの発症リスクが非常に高い希少遺伝疾患です。ERCC4に変異を持つ患者さんは、XPの中でもグループF（XP-F）に分類されます。
コケイン症候群（CS）: XP-F患者の一部にみられる疾患で、光過敏性に加え、発達遅延や神経症状を伴います。
XFE早老症候群: ERCC4遺伝子の変異によって非常に稀に引き起こされる疾患で、XPやCSの特徴に加えて、神経系、肝胆道系、筋骨格系、造血系など全身的な異常を呈します。
ファンコニ貧血（FA）: 主に造血系の異常を伴う複雑な遺伝性疾患で、鎖間架橋を引き起こす因子に対する過敏性が特徴です。ERCC4に変異を持つFA患者さんはグループQ（FANCQ）に分類されます。

結腸におけるERCC4の発現とがんとの関連

正常な状態では、ERCC4（XPF）は結腸の内壁を覆う細胞の細胞核で高レベルに発現しています。特に、結腸陰窩と呼ばれる管状の構造の底部にある、活発に増殖する幹細胞を含む多くの細胞で強く見られます。正常な結腸上皮では、ERCC4だけでなく、ERCC1やPMS2といった他のDNA修復関連タンパク質も高く発現しており、活発なDNA修復が行われていることが示唆されます。

一方、大腸がんの約55%、そしてがんの周囲の発がんリスクが高い領域（発がん素地）にある結腸陰窩の約40%において、ERCC4（XPF）の発現が低下または失われていることが報告されています。発がん素地でERCC4が減少している場合、多くの場合ERCC1やPMS2などの他のDNA修復酵素の発現も同様に低下しています。これらのDNA修復酵素の発現低下は、遺伝子自体に変異があるのではなく、遺伝子のスイッチがエピジェネティックにオフになることによって引き起こされると考えられています。ERCC4などのDNA修復能力の低下は、DNA損傷が適切に修復されずに蓄積し、がん化を促進すると考えられています。がんやその周囲の発がん素地におけるERCC4などのDNA修復関連遺伝子のエピジェネティックな抑制は、大腸がんの発生・進行において重要な役割を果たしている可能性を示しています。ERCC4の発現低下は結腸がんで高頻度に見られますが、ERCC4遺伝子自体に変異が生じることは比較的稀です。しかし、ERCC4遺伝子の稀な変異は、上述のようにXPのような遺伝病の原因となるほか、皮膚がんや乳がんのリスクにも関連することが報告されており、ERCC4の機能不全ががん発生に関与する可能性をさらに裏付けています。

もう一度検索