MDC1

MDC1（Mediator of DNA damage checkpoint 1）

MDC1は、Mediator of DNA damage checkpoint 1の略称であり、ヒトにおいては6番染色体短腕に存在するMDC1遺伝子によってコードされるタンパク質です。約2080個のアミノ酸から構成され、NFBD1（nuclear factor with BRCT domain 1）という別名でも知られています。このタンパク質は、細胞が遺伝子の損傷を受けた際に活性化される複雑な応答機構において、中心的な役割を担っています。特に、細胞分裂のタイミングを監視する細胞周期チェックポイント（S期内チェックポイントおよびG2/M期チェックポイント）の調節や、損傷部位へのDNA修復タンパク質のリクルートに関与します。また、重要な腫瘍抑制因子であるp53とも結合し、細胞が生き残るか死を選ぶかといった運命の決定にも影響を与えています。

機能

DNA損傷応答における役割

細胞は、電離放射線や特定の化学物質によって引き起こされるDNA二本鎖切断のような深刻な遺伝子損傷に常に曝されています。真核生物はこのような損傷に対応するため、DNA損傷応答と呼ばれる精緻なシステムを備えています。哺乳類細胞のDNA損傷応答は、キナーゼや、これらのキナーゼを損傷部位に誘導するメディエーター（仲介役）やアダプター（足場）となるタンパク質のネットワークによって構成されています。MDC1は、このネットワークにおいて、メディエーター/アダプターとして機能し、他のDNA損傷応答タンパク質との複合体形成を促進します。さらに、そのPSTドメインを介して、損傷を受けたDNAの修復そのものにも寄与すると考えられています。

DNA二本鎖切断が発生すると、まずMRN複合体（MRE11、RAD50、NBS1からなる複合体）が損傷DNAの近傍に集まり、ヒストンH2AX上にDNA損傷応答の主要なキナーゼであるATMをリクルートします。ATMはH2AXの特定の部位をリン酸化し、これはγH2AXとして知られるようになり、損傷部位を示すエピジェネティックなマーカーとなります。MDC1は、自身のBRCTドメインを介してこのγH2AXを認識し結合することで、損傷の発生を検知します。同時に、CK2によってリン酸化されたMDC1のSDTドメインはMRN複合体に結合し、MDC1はMRN複合体を損傷部位へ強く引き留める役割を果たします。

損傷部位に固定されたATMキナーゼは、次にMDC1のTQXFドメインをリン酸化します。このリン酸化は、E3ユビキチンリガーゼであるRNF8をリクルートするためのシグナルとなります。リクルートされたRNF8は、損傷部位周辺のヒストンをユビキチン化し、これがトリガーとなってRNF168や53BP1、BRCA1といった他の重要なDNA修復因子が次々と損傷部位に集積します。このように、DNA損傷応答因子が集まり、リン酸化やユビキチン化されたヒストンが局所的に高濃度に存在する領域は「DNA damage foci」または「ionizing radiation-induced foci」と呼ばれます。MDC1の主要な機能の一つは、このdamage fociの形成を調整し、効率的なDNA修復システムを構築することにあります。MDC1はまた、DNA損傷に応答したS期内およびG2/M期チェックポイントの活性化に不可欠な因子です。

アポトーシスにおける役割

MDC1は、細胞のプログラムされた死であるアポトーシスに対しても影響を及ぼします。特に、重要な腫瘍抑制タンパク質であるp53のアポトーシス誘導活性を直接阻害することで、細胞の生存を助ける、すなわち抗アポトーシス作用を示すことが知られています。通常、DNA損傷が発生すると、ATMキナーゼやChk2キナーゼがp53を特定の部位（セリン15番、20番）でリン酸化し、p53はE3ユビキチンリガーゼであるMDM2からの分解を免れて活性化・安定化され、アポトーシス経路を誘導します。MDC1は、このp53によるアポトーシス誘導を二つのメカニズムで妨げます。一つは、そのBRCTドメインを介してp53のN末端にある転写活性化ドメインに結合し、p53がアポトーシス関連遺伝子の発現を誘導する能力を物理的に遮断することです。もう一つは、p53のアポトーシス活性に必要なセリン15番のリン酸化レベルを低下させることによって、p53を不活性化する方向へ働くことです。したがって、MDC1の機能が低下すると、p53によるアポトーシス誘導が促進され、細胞死が増加する傾向が見られます。例えば、肺がん細胞株を用いた研究では、MDC1タンパク質レベルを人工的に低下させると、遺伝毒性物質による細胞死が増加することが報告されています。

MDC1の喪失が細胞・個体レベルに与える影響

ヒト細胞を用いた遺伝子サイレンシング研究や、MDC1遺伝子を欠損させたノックアウトマウスを用いた研究からは、MDC1タンパク質の機能が失われることで、細胞および個体レベルで様々な異常が生じることが明らかになっています。MDC1ノックアウトマウスは、野生型マウスに比べて成長が遅く体が小さい、オスの生殖能力がない（不妊）、電離放射線に対する感受性が著しく高い、そして腫瘍が発生しやすいといった特徴を示します。細胞レベルでは、MDC1が失われると、DNA損傷に応答したS期内チェックポイントやG2/M期チェックポイントを適切に作動させることができなくなります。また、電離放射線照射によって形成されるDNA damage fociの形成能力が低下し、ATM、CHK1、CHK2といったDNA損傷応答に関わる主要なキナーゼによるタンパク質のリン酸化も不十分になります。さらに、正確なDNA修復機構である相同組換えに欠陥が生じます。MDC1を人工的に抑制したヒト細胞では、ゲノムにランダムなDNA断片が組み込まれやすくなったり、有糸分裂（細胞分裂）の過程に遅延が見られたりといった現象も観察されます。

タンパク質構造と機能ドメイン

MDC1は複数の機能ドメインを持っており、それぞれが特定の役割を果たしています。N末端からC末端にかけて、FHAドメイン、SDTドメイン、TQXFドメイン、PSTドメイン、そしてBRCTドメインが順に配置されています。

FHAドメイン: 他のDNA損傷応答因子にも見られるリン酸化ペプチド結合ドメインですが、MDC1のFHAドメインの機能は完全には解明されていません。DNA二本鎖切断修復や細胞周期チェックポイントへの関与が示唆されており、ATM、CHK2、RAD51といったタンパク質との相互作用が推測されています。
SDTドメイン: リン酸化されることでMRN複合体に結合する能力を持ち、損傷部位におけるMRN複合体の結合維持に寄与します。MRN複合体のサブユニットであるNBS1と共に、S期内およびG2/M期チェックポイントの活性化に必要ですが、その分子機構の詳細は不明です。
TQXFドメイン: TQXFという繰り返し配列が特徴的なドメインです。ATMキナーゼによってリン酸化されることで、E3ユビキチンリガーゼであるRNF8がこのドメインに結合できるようになります。このMDC1-RNF8間の結合は、RNF168、53BP1、BRCA1など、その後のDNA損傷修復経路に関わる因子群を損傷部位へ効率的にリクルートするための重要なステップです。このドメインはG2/M期チェックポイントの適切な進行にも不可欠ですが、MDC1とRNF8がチェックポイントをどのように制御しているかはまだ明らかになっていません。
PSTドメイン: プロリン、セリン、スレオニンの繰り返し配列から構成されるドメインです。相同組換えや非相同末端結合といった主要なDNA修復経路への関与が示されていますが、具体的にどのように損傷DNAの修復を促進するのかは不明な点が多いです。
* BRCTドメイン: MDC1のC末端に位置するこのドメインは、損傷クロマチン上に存在するγH2AXに直接結合する主要な部位です。γH2AX上の特定のリン酸化セリン残基を選択的に認識します。BRCTドメインは、細胞周期の進行を制御する後期促進複合体（APC/C）や、DNA複製終結に関わるトポイソメラーゼIIα（TOP2A）とも結合し、複製終結時のdecatenation checkpointの調節にも関与します。このチェックポイントは、姉妹染色体が完全に分離するまで細胞をG2期に留める役割を持ちます。さらに、前述のようにp53とも相互作用し、その転写活性化ドメインを遮断するほか、MDM2によるp53の分解を補助する可能性も示唆されています。

MDC1はまた、タンパク質だけでなく、核内でmRNAやポリアデニル化RNAといったRNA分子とも結合することが示されています。

調節機構

MDC1タンパク質の量は、細胞内で厳密に調節されています。例えば、細胞の生存や増殖に関わるAKT1キナーゼは、MDC1の量を間接的に減少させることが知られています。AKT1が活性化されると、miR-22と呼ばれるマイクロRNAの発現が誘導されます。miR-22はMDC1のmRNAの特定の領域に結合し、MDC1タンパク質への翻訳を阻害することで、結果としてMDC1の量を低下させます。AKT1の異常な活性化や過剰な発現は、乳がん、肺がん、前立腺がんなど、様々ながんで観察されます。このような状態では、MDC1の産生が低下し、これがゲノムの不安定化を引き起こし、腫瘍形成を促進する一因となる可能性があります。

がんとの関連

MDC1は、その機能から、がん抑制遺伝子として働く可能性が高いと考えられています。MDC1遺伝子を欠損させたマウスでは、野生型マウスに比べて腫瘍の発生率が増加することが報告されており、ヒトの乳がんや肺がんなど多くの種類のがんにおいて、MDC1タンパク質の量が正常細胞に比べて低下していることが観察されています。MDC1が細胞周期チェックポイント制御、DNA損傷修復、そしてp53を介したがん抑制といった、がん細胞でしばしば異常が見られる重要な経路に関与していることを考えると、MDC1の機能を調節することによって、がんの治療効果を高めることができる可能性があります。実際に、様々なヒトがん細胞株を用いた研究では、MDC1タンパク質の量を低下させると、ドキソルビシンやシスプラチンといった広く用いられている抗がん剤に対するがん細胞の感受性が高まることが示されています。このことから、MDC1を標的とした治療法は、放射線療法や化学療法の効果を増強する強力な手段となる可能性が期待されています。

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