WRN

WRN（Werner syndrome ATP-dependent helicase）

WRNは、ヒト細胞においてWRN遺伝子の情報に基づいて作られる酵素です。正式名称はWerner syndrome ATP-dependent helicaseであり、RECQ3（DNA helicase, RecQ-like type 3）という別名でも知られ、DNAヘリカーゼの主要なファミリーであるRecQヘリカーゼ群に属します。

主要な機能

ヘリカーゼは一般に、二本の鎖が絡み合ったDNA構造をほどき、一本鎖に分離する働きを持ちます。この活性は、新しい細胞を作るためにDNAの正確なコピーを作成するプロセスであるDNA複製や、タンパク質の設計図となるRNAを作る転写といった、生命活動に必須の過程で重要な役割を果たします。WRNタンパク質は、こうした基本的なヘリカーゼ活性に加え、DNA修復においても極めて重要な役割を担っていることが明らかになっています。これにより、細胞内のDNA構造と完全性を維持し、ゲノムの安定性を守る働きをしています。

構造と特徴的な機能

WRNはRecQヘリカーゼファミリーの一員ですが、特徴的な機能として、3'末端側からDNAを分解する3'→5'エキソヌクレアーゼ活性も持つ唯一のRecQヘリカーゼです。このエキソヌクレアーゼ活性によって、DNAの3'側の窪んだ末端部分を分解したり、二本鎖DNAに生じた隙間（ギャップ）からDNA分解を開始したりします。

WRNは、DNAの損傷を修復する様々な経路に関与しています。DNAの二本鎖切断を正確に修復する相同組換え修復や非相同末端結合（NHEJ）、一塩基レベルの損傷を修復する塩基除去修復（BER）に重要です。また、DNA複製中に何らかの障害で複製が停止した場合の複製停止からの回復にも効果的に機能します。

さらに、染色体の末端に存在するテロメアの維持や複製、特に繰り返し配列に多く含まれるG（グアニン）が豊富な配列の複製においても重要な役割を果たしていると考えられています。

細胞内での振る舞い

WRNは細胞内で単独で働くだけでなく、複数のWRN分子が集まってオリゴマーを形成します。DNAを巻き戻す際には単量体（1つの分子）として機能する一方、溶液中では二量体（2つの分子の複合体）、DNAと結合する際には四量体（4つの分子の複合体）を形成することが観察されており、六量体を形成することもあります。細胞核内でのWRNの動きも特徴的で、核質中では比較的速く拡散（1.62 μm²/s）しますが、リボソームの合成などが行われる核小体ではその動きが遅く（0.12 μm²/s）なります。

WRNの機能はヒトに固有のものではなく、ショウジョウバエやツメガエル、線虫（C. elegans）など、他の多くの生物種にも同様の機能を持つタンパク質（オルソログ）が存在します。このことは、WRNが生命の基本的な仕組みにおいて極めて重要な役割を担っていることを示唆しています。

WRNは細胞のゲノム安定性維持に不可欠であり、WRNに変異を持つ細胞では、DNA損傷やDNA切断に対して感受性が高まることが分かっています。

WRNタンパク質の機能ドメインとして、N末端側はヘリカーゼ活性とヌクレアーゼ活性の両方に関与し、C末端側は重要ながん抑制因子であるp53タンパク質と相互作用します。WRNは、DNA修復、組換え、複製、あるいはDNAの二次構造（ホリデイジャンクションなど）を解消する際に、エキソヌクレアーゼとして機能する可能性があります。また、ホリデイジャンクションの分岐点移動に関与したり、その他の様々なDNA複製の中間体と相互作用したりします。

WRNの設計図となるmRNAは、ヒトの体のほとんどの組織で広く作られています。

翻訳後修飾による制御

WRNの働きは、タンパク質が作られた後に加えられる化学的な修飾によって細かく制御されています。特に、セリンやスレオニンといったアミノ酸残基のリン酸化は、複製後のDNA修復に関わるヘリカーゼ活性やエキソヌクレアーゼ活性を抑制することが知られています。逆に、これらの部位からリン酸基が取り除かれる（脱リン酸化）と、WRNの触媒活性が高まります。リン酸化は、SUMO化やアセチル化など、他の翻訳後修飾にも影響を与える可能性があります。

臨床的意義：ウェルナー症候群との関連

WRN遺伝子の変異は、ウェルナー症候群という遺伝性疾患の主要な原因となります。これまでに20種類以上の原因となる変異が見つかっており、その多くは正常なものより異常に短いWRNタンパク質を作り出します。このような短縮型のタンパク質は、DNAと相互作用するために必要な細胞核への移行がうまくいかなかったり、細胞内で急速に分解されてしまったりすることが示唆されています。その結果、細胞核内の正常なWRNタンパク質が不足し、DNAの複製、修復、転写といった重要な機能が適切に行えなくなります。これらの変異が、ウェルナー症候群で特徴的に見られる早老のような症状を引き起こす詳しいメカニズムについては、現在も活発な研究が進められています。

DNA修復経路における詳細な役割

WRNは複数のDNA修復経路で中心的な役割を担っています。

相同組換え修復: WRNはDNA二本鎖切断を高い忠実度で修復する相同組換えに関与します。WRN遺伝子に欠陥を持つ細胞では、有糸分裂における自発的な組換えが著しく低下し、特に遺伝子変換を伴う組換えが減少します。また、このような細胞はX線に曝露された際に染色体切断や小核形成が増加します。興味深いことに、ガンマ線や紫外線、特定のDNA損傷剤（シクロブタン型ピリミジンダイマー、マイトマイシンC）に対する感受性は野生型と変わりませんが、DNAトポイソメラーゼ阻害剤に対しては高い感受性を示します。これらの観察結果は、WRNが相同組換え修復、特に複製フォークが停止した場合の処理に関与していることを強く示唆しています。

非相同末端結合 (NHEJ): WRNはもう一つの主要な二本鎖切断修復経路である非相同末端結合にも関わっています。DNA二本鎖切断が発生した部位に集まり（リクルートされ）、NHEJ経路において酵素的および非酵素的な機能を発揮します。切断部位では、Kuというタンパク質と結合して標準的なNHEJ経路を促進し、自身のエキソヌクレアーゼ活性によってDNA二本鎖切断をある程度の正確さで修復するのを助けます。同時に、WRNはalt-NHEJやMMEJ（マイクロホモロジー媒介末端結合）と呼ばれる、切断を不正確に修復してしまう代替的なNHEJ経路を阻害する働きも持ち、ゲノムの安定性を維持しています。

塩基除去修復 (BER): 一塩基レベルの損傷を修復する塩基除去修復にもWRNは関与します。特に、酸化ストレスによるDNA損傷の修復において、BER経路の初期段階でNEIL1というDNAグリコシラーゼと結合し、NEIL1による酸化損傷塩基の除去を促進します。NEIL1は活性酸素種（ROS）によって損傷した塩基を認識して切り出し、さらにDNA鎖を切断します。WRNはまた、DNAポリメラーゼλ (Polλ) とも相互作用し、酸化損傷の一種である8-oxo-Gの反対側に生じたギャップの充填や、それに続くDNA鎖の置き換え合成（鎖置換合成）を特異的に促進します。これにより、特定の損傷（8-oxo-G:Aミスペア）修復におけるロングパッチBERをPolλと協力して進めます。

複製停止からの回復: WRNは、何らかの理由でDNA複製フォークが停止した場合の回復機構にも深く関わっています。WRNに欠陥がある場合、複製停止はDNA二本鎖切断の蓄積や染色体断片化の増加を引き起こします。WRNは、複製チェックポイントの重要な因子であるRAD9-RAD1-HUS1（9.1.1）複合体と相互作用します。この相互作用は、9.1.1複合体の一部であるRAD1サブユニットがWRNのN末端領域に結合することで媒介され、DNA損傷や複製停止に応答したWRNの細胞内での局在の変化（核内の特定の部位へ移動）や、WRNのリン酸化に重要です。DNA損傷や複製フォークの停止がない状態では、WRNは主に核小体に留まっています。WRNと9.1.1複合体の協調は、停止した複製フォークでの有害な二本鎖切断の形成を防ぐ役割を担っています。

がんとの関連

WRNの発現量が少ない細胞では、野生型細胞と比較してDNAに変異が生じる頻度が上昇します。このような変異の蓄積は、がんの発生につながる可能性があります。ウェルナー症候群の患者は、WRN遺伝子に両アレル性の変異を持つため、軟部肉腫、骨肉腫、甲状腺がん、メラノーマなど、特定のがんの発生率が一般集団より高くなります。

一般集団におけるWRN遺伝子の機能喪失変異は比較的稀ですが、日本人集団では他の集団よりやや高頻度（1000人に約6人）に見られます。

興味深いことに、がん細胞ではWRN遺伝子自体の変異による機能欠損よりも、エピジェネティックな変化、特に遺伝子のプロモーター領域にあるCpGアイランドの高メチル化によってWRNの発現が低下しているケースが広く見られます。この高メチル化はWRNタンパク質の量を減らし、腫瘍の発生や進行に関与していると考えられています。

WRNは、前述の様々な機能を実現するために、細胞内で多数のタンパク質因子と相互作用しながら協調して働いています。

WRNはそのヘリカーゼ活性、エキソヌクレアーゼ活性、そして多くの因子との相互作用を通じて、DNAの安定性維持、損傷修復、複製、転写といった生命活動の根幹を支える極めて重要なタンパク質です。その機能不全は、ウェルナー症候群のような特定の疾患を引き起こすだけでなく、広くがんの発生や進行にも関わっていることが示されています。

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