G2/M期DNA損傷チェックポイント

G2/M期DNA損傷チェックポイントは、真核細胞が細胞分裂（有糸分裂、M期）を開始する前に設けられた、極めて重要な品質管理システムです。このチェックポイントの主な役割は、遺伝情報の担い手であるDNAが損傷していたり、あるいはDNAの複製が不完全に終わっていたりする場合に、細胞が分裂期へ進行するのを一時的に停止させることにあります。この停止期間中にDNA修復が行われ、ゲノムの安定性が保たれます。もし、このチェックポイントが正常に機能せず、損傷したDNAを持ったまま細胞が分裂を開始してしまうと、娘細胞は遺伝的な異常を抱えることになり、最終的にはアポトーシス（プログラムされた細胞死）やその他の形態の細胞死を引き起こす可能性があります。

このチェックポイントの機能は、生化学的には細胞周期の進行を制御するサイクリン依存性キナーゼ（CDK）と、それに結合する調節タンパク質であるサイクリンによって担われています。特にG2期からM期への移行は、サイクリンBとCDK1（酵母ではCdc2として知られる）からなる複合体の活性化によって制御されます。

サイクリンB/CDK1複合体の調節

細胞が有糸分裂の準備を整えるG2期に入ると、サイクリンBの蓄積が始まり、これに伴ってCDK1の活性が高まります。CDK1の活性は、リン酸化や脱リン酸化によってさらに微調整されています。活性化を促進するのはCdc25ファミリーのホスファターゼで、これはCDK1を阻害するリン酸基を除去します。一方、Wee1やMyt1といったキナーゼはCDK1上の特定のチロシン残基（特にTyr15）をリン酸化することで、複合体を不活性化します。

注目すべきは、Cdc25によるCDK1の活性化が、さらにCdc25自身の活性化を促進するというポジティブフィードバックループが存在することです。これにより、ある閾値を超えるとCDK1の活性が急激に上昇します。このプロセスには、オーロラAキナーゼやBora、Plk1といった他の分子も協調的に関与し、Wee1を分解に導いたり、Cdc25を活性化したりすることで、CDK1活性化の増幅に貢献しています。このような分子ネットワークによる制御は、「全か無か」型のスイッチとして機能し、細胞が有糸分裂へ不可逆的に移行することを保証します。この双安定性（安定な不活性状態と安定な活性状態が存在すること）とヒステリシス（活性化の閾値と不活性化の閾値が異なること）は、G2/Mチェックポイントの厳密な制御に不可欠です。DNAに損傷がある場合、このCDK1活性化に必要なサイクリンBの濃度閾値は上昇し、有糸分裂への移行が遅延します。

DNA損傷応答経路

G2期にDNA損傷が検出されると、損傷部位に特定のタンパク質が集まり、一連のシグナル伝達カスケードが開始されます。このカスケードは、主にサイクリンB/CDK1複合体の活性を負に調節することで、有糸分裂の開始を遅らせ、損傷DNAの修復に必要な時間を確保します。

この経路に関わる主要なタンパク質は、放射線感受性変異体（rad変異体）の研究から同定されました。酵母のRad3キナーゼ（脊椎動物ではATRに相当）は、DNA損傷に応答して活性化されるPI3K関連キナーゼファミリーの一員です。Rad3/ATRは損傷部位に集積し、Rad9、Hus1、Rad17といった他のタンパク質をリン酸化します。これらの因子は、DNA複製時にDNAポリメラーゼの働きを助けるリング状のクランプに類似した構造を形成し、DNA損傷部位への修復酵素のリクルートやDNA修復プロセスに関与すると考えられています。

Rad3/ATRの下流で中心的な役割を果たすのがChk1キナーゼです。DNA損傷が存在すると、Chk1はRad3/ATRによって活性化され、G2期での細胞周期停止に必須の役割を担います。活性化されたChk1は、CDK1の活性化因子であるCdc25をリン酸化してその活性を阻害し、さらにユビキチン化による分解へと導きます。同時に、Chk1やChk2（ATM経路で活性化）はCDK1の阻害因子であるWee1を正に調節します。例えば、Chk1はWee1を高レベルにリン酸化し、14-3-3タンパク質との結合を促進することでWee1を核内に留め、CDK1の不活性化リン酸化を強化します。これらの作用、すなわちCdc25の不活性化とWee1の活性化（または安定化）は、複合的にCDK1の活性化を強く阻害し、細胞をG2期に留めることでDNA修復のための時間を稼ぎます。また、ATM/ATR経路はp53経路とも連携し、CDK阻害因子であるp21の発現を誘導することで、CDK活性の抑制に寄与します。

チェックポイントの維持と不活化

G2期での細胞周期停止を開始するためにはRad3/ATRやChk1の活性化が重要ですが、DNA修復が完了するまで停止状態を維持するためには、Rad18のような他の因子も必要です。Rad18はChk1が活性化されている場合でも停止の維持に必要であり、DNA修復や染色体構造の維持にも関わっています。p53やp21も、CDK1複合体の活性を抑制することで、チェックポイントの維持に寄与します。これらの因子が欠損すると、DNA損傷があるにもかかわらず有糸分裂が開始されてしまうことがあります。

DNA修復が完了した後、あるいは何らかの理由でチェックポイントが解除される際には、CDK1の活性が回復する必要があります。チェックポイントが機能しなくなるのは、CDK1の阻害因子であるWee1が不活化されたり、活性化因子であるCdc25が過剰に活性化されたりする場合です。特にWee1の機能喪失は、損傷DNAの存在に関わらず有糸分裂への移行を促し、チェックポイントを迂回させます。しかし、修復完了後のチェックポイントの正確な終結メカニズム、例えば活性化リン酸基を除去するホスファターゼの働きや、チェックポイント因子を分解するシステムの詳細については、まだ完全には解明されていません。

がんとの関連

G2/M期DNA損傷チェックポイントは、ゲノムの安定性を維持するために不可欠であるため、その破綻はがんの発生と密接に関わっています。実際、がん細胞ではCDK、サイクリン、p53といった細胞周期制御に関わる多くのタンパク質に異常が見られることが多いです。チェックポイント経路の構成要素は、がん治療における重要な標的となり得ます。特にChk1は、DNA損傷応答の中心的なキナーゼとして、抗がん剤の開発ターゲットとして注目されています。放射線療法や化学療法でDNAに損傷を与えた後、G2/Mチェックポイントを操作することで、がん細胞を効果的に死滅させる戦略が研究されています。例えば、チェックポイントを意図的に不活化させることで、修復不可能なほど損傷したDNAを持ったままがん細胞を強制的に分裂させ、細胞死を誘導するアプローチなどが開発が進められています。

G2/M期DNA損傷チェックポイントは、細胞が健全な分裂を行うために備わった精緻なシステムであり、その理解は細胞周期制御やがん研究において極めて重要です。

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