MLH1

MLH1（MutL homolog 1）は、ヒトでは3番染色体上のMLH1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、遺伝性の非ポリポーシス大腸がん、現在ではリンチ症候群として知られる疾患と深く関連しています。ヒト以外の生物、例えばマウスや出芽酵母 Saccharomyces cerevisiae においても研究が進められています。

機能

MLH1遺伝子は、遺伝性非ポリポーシス大腸がんで頻繁に変異が見つかる遺伝子座として特定されました。これは、大腸菌 Escherichia coli のDNAミスマッチ修復に関わる mutL 遺伝子のヒトにおける相同体にあたります。mutL がミスマッチの認識、DNA鎖の識別、そして誤った鎖の除去といった過程で、他のタンパク質との相互作用を仲介するように、MLH1も同様の機能に関わります。MLH1の機能が欠損すると、遺伝性非ポリポーシス大腸がんで特徴的に見られるマイクロサテライト不安定性を引き起こす一因となります。

DNAミスマッチ修復における役割

MLH1タンパク質は、DNAのミスマッチを修復する一連の複雑なプロセスにおいて、他のタンパク質と連携して働く、ヒトの主要な7つのDNAミスマッチ修復タンパク質の一つです。これら7つには、MLH1、MLH3、MSH2、MSH3、MSH6、PMS1、PMS2が含まれます。大腸がんの約13%でDNAミスマッチ修復の機能不全が見られますが、他の修復タンパク質の欠乏に比べて、MLH1の欠乏が原因となるケースが圧倒的に多く発生します。

DNAのミスマッチとは、DNA複製の際のエラーや遺伝的組換えの結果として、塩基が本来ペアを組むべき相手と不適切に対合してしまったり、一方の鎖に短い塩基配列が付加または欠失したために他方の鎖と一致しなくなったりした箇所を指します。こうしたミスマッチを正確に認識し修復することは非常に重要です。適切に修復されない場合、マイクロサテライトの不安定性や、mutator phenotypeと呼ばれる自発的な変異率の異常な上昇を招き、がん化のリスクを高めます。

ミスマッチ修復プロセスの開始段階では、まずMSH2とMSH6からなるヘテロ二量体（二つの異なるタンパク質が結合した複合体）がミスマッチを認識します。ただし、MSH2とMSH3のヘテロ二量体もこの開始に関わることができます。次に、このMSHタンパク質のヘテロ二量体に、MLH1とPMS2から構成されるヘテロ二量体が結合します。このMLH1-PMS2複合体は、MLH1とPMS3またはMLH3からなるヘテロ二量体（MutLγとも呼ばれる）によって置き換えられることもあります。これらのMSHとMLH/PMS複合体の連携によって、ミスマッチ修復の開始が実現します。

修復開始に続いて、DNAポリメラーゼδ、PCNA、RPA、HMGB1、RFC、DNAリガーゼIといった様々な因子に加え、ヒストンやクロマチン修飾因子などもミスマッチ箇所の修復に関与します。

がんにおける発現の欠乏

散発性のがんでDNA修復不全が見られる場合、多くはDNA修復遺伝子自体の変異によるものではありません。その大部分は、DNA修復遺伝子の発現を低下させたり、機能を停止させたりするエピジェネティックな変化が原因です。MLH1の欠乏も例外ではなく、その多くはMLH1遺伝子のプロモーター領域のメチル化によって引き起こされます。他にも、miR-155の過剰発現によるMLH1の発現低下といったエピジェネティックな機構も知られています。miR-155はMLH1やMSH2を標的とし、ヒト大腸がんではmiR-155の発現レベルが高いほどMLH1やMSH2の発現レベルが低いという逆相関が見られます。

発がん素地における欠乏

発がん素地（field defect）とは、エピジェネティックな変化や遺伝子変異によって、がんが発生しやすい状態になっている組織領域を指します。がん研究の多くは、明確な腫瘍やがん化した細胞集団を対象としていますが、実際には、mutator phenotypeを示すヒト大腸がんで見つかる体細胞変異の80%以上は、最終的な腫瘍のクローン増殖が始まる前に発生したという証拠があります。同様に、腫瘍で検出される体細胞変異の半数以上は、見た目は正常な細胞が増える前腫瘍段階（発がん素地）で生じていると指摘されています。

MLH1の欠乏は、腫瘍だけでなく、その周囲の組織学的には正常に見える組織（発がん素地）にも見られることがあります。エピジェネティックなMLH1の発現低下やサイレンシングが起こっても、直ちに幹細胞に有利な性質を与える可能性は低いでしょう。しかし、MLH1の機能が低下または失われることで、変異が発生する確率が増加します。これにより、細胞の増殖に有利な変異が蓄積する可能性があります。もし有利な変異を持つ幹細胞クローンが増殖を開始しても、MLH1遺伝子は必ずしも選択的に有利なものではなく、むしろ有利でも不利でもない、あるいはわずかに不利な「おまけ」（パッセンジャー変異）としてそのクローンに維持されることがあります。このように、エピジェネティックに抑制されたMLH1遺伝子を持つクローンが存在し続けることで、さらなる変異が生み出され続け、その中から最終的に腫瘍が形成されることがあると考えられています。

他のDNA修復遺伝子との協調的な抑制

がん細胞では、複数のDNA修復遺伝子が同時に機能が抑えられていることが少なくありません。例えば、ある研究では、40の星細胞腫と正常な脳組織を比較した結果、調べられた27のDNA修復遺伝子のうち、MLH1、MLH3、MGMTなど13の遺伝子が、星細胞腫のすべてのグレード（II、III、IV）で著しく発現が低下していました。病期（グレード）によらずこれらの遺伝子が同様に抑制されていることから、これらの遺伝子の機能低下が星細胞腫の発生および進行の初期から後期まで重要であることが示唆されます。別の研究では、135の胃がん検体において、MLH1とMGMTの発現レベルには強い相関が見られ、腫瘍の進行に伴って両者の機能喪失が同時に進行する傾向があることが示されています。

減数分裂

DNAミスマッチ修復に加えて、MLH1タンパク質は細胞の減数分裂において、染色体の乗換え（クロスオーバー）にも関わっています。MLH1はMLH3とヘテロ二量体（MutLγ）を形成し、この複合体は卵母細胞が減数第二分裂の中期に進むために必要であると考えられています。MLH1を欠損させたマウス（MLH1(-/-)変異体）はオス・メスともに不妊となり、この不妊は染色体のキアズマ（乗換えの物理的な痕跡）の数の減少と関連しています。MLH1(-/-)変異体マウスの精子形成過程では、染色体が正常よりも早く分離する傾向があり、減数第一分裂の途中で進行が止まることがしばしば見られます。ヒトにおいても、MLH1遺伝子の一般的な変異は精子の損傷や男性不妊のリスク上昇と関連することが示されています。

MLH1タンパク質は、減数分裂中の染色体の乗換えが起こる部位に位置することが観察されています。減数分裂における組換えは、多くの場合、DNAの二本鎖切断によって始まります。組換えの過程では、切断されたDNAの5'末端がリセクションと呼ばれるプロセスで切除され、突き出た3'末端がストランド侵入によって相同染色体のDNAに「入り込み」、Dループという構造が形成されます。その後、乗換え型または非乗換え型の組換えが起こるいずれかの主要な経路が進みます（詳細については相同組換えを参照）。乗換え型の組換えでは、ダブルホリデイジャンクションという中間体が形成され、これが解消されることが組換えを完了させるために不可欠です。

出芽酵母では、マウスと同様に、MLH1がMLH3とヘテロ二量体を形成します。減数分裂時の乗換えは、このMLH1-MLH3ヘテロ二量体の働きによるホリデイジャンクションの解消が必要となります。MLH1-MLH3複合体は、スーパーコイル状の二本鎖DNAに一本鎖の切断を導入するエンドヌクレアーゼとして機能します。この複合体はホリデイジャンクションに選択的に結合し、減数分裂時にホリデイジャンクションを処理する巨大なタンパク質複合体の一部として働いていると考えられています。MLH1-MLH3ヘテロ二量体（MutLγ）は、EXO1やSgs1（ヒトのBLMの相同体）らと共にホリデイジャンクションの解消プロセスを構成し、出芽酵母における乗換えの大部分を生み出しています。このメカニズムは哺乳類でも同様に機能すると考えられています。

臨床的意義

MLH1遺伝子の異常は、ターコット症候群との関連も示唆されています。

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