私の研究

私の研究
傷ついた DNA をなおす
〜メチル基転移酵素のメカニズム
その形と働き〜

角田大（つのだ まさる）

いわき明星大学薬学部 准教授
いわき明星大学大学院理工学研究科

１．はじめに通部分からなるヌクレオチドが、数珠状に連なっ親から子へ、子から孫へ、その生物の設計図てできています。この４種類の塩基がＡとＴ、Ｇである遺伝情報は DNA（デオキシリボ核酸）にとＣといった決まった組合せ（塩基対）を作るこよって伝達されています。その DNA は、紫外線とによって二重らせん構造をとり、元からある２や化学物質などによって実は簡単に傷ついてしま本の鎖それぞれに、１本ずつ新しい鎖を作る半保います。しかし、傷ついたままにしておいては、存的複製といった働きによって、同じものが作ら私たちは生きていけないので、生物には DNA のれ子孫に伝わります。

傷を治したり、傷を避けて活動を続けたりして、細胞の中の DNA は、１つの細胞あたり１日壊れやすい DNA をいろいろな方法で守っていま５万回以上の損傷を受けます。損傷には塩基を変す。筆者らのグループでは、傷ついた DNA を治化させるものや、鎖の切断、架橋といったものがすしくみについて研究しています。

見られます。損傷を受けた DNA の情報をもとに作られた RNA やたんぱく質は、細胞の老化や死、２．DNA の損傷と修復ガン細胞の発生などを引き起こす原因となります。

およそ60年前にジェームズ・ワトソンとフラ

そのため、生物には DNA の損傷を修復する仕組

ンシス・クリックによって、DNA は二重らせんみがいくつか存在します。塩基が損傷した場合に構造をしていることが発見されました（図１左）。

修復する仕組みの一つに

DNA は、アデニン（Ａ）、チミン（Ｔ）、グアニ仕組みがあります。この直接修復は、塩基除去修

ン（Ｇ）、シトシン（Ｃ）の４種類の塩基と呼ば復やヌクレオチド除去修復とは異なり、塩基やヌれる部分と、デオシキリボース、リン酸という共クレオチドを除去せずに、損傷した部分を直接修38

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直接修復と呼ばれる

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図１

DNA の二重らせん構造（左）とメチル化によるＧ≡ＣからＡ＝Ｔへの塩基の突然変異（右）復することで、損傷 DNA を治します。の硫黄原子に O ６ −メチルグアニンのメチル基（CH３−）を転移させることで、グアニンのメチ３．DNA のメチル化による突然変異ル基を除去します。通常、酵素は化学反応が終了

DNA 損傷の中の一つにメチル化が挙げられますると元の状態に戻りますが、MGMT はメチルす。生体内に入り込んだ化学物質により、DNA基を受け取ると、再度働くことができなくなる中の塩基のメチル化が引き起こされます。

（失活する）ため、このメチル基転移反応は一方グアニンにある酸素原子がメチル化されると、通行であることが知られています。

O ６−メチルグアニンが形成され、このグアニンは本来シトシンと塩基対を形成するはずが、チミ５．Ｘ線結晶構造解析ンと塩基対を形成するようになります。さらにこ１個のたんぱく質の大きさは非常に小さく、大の間違った塩基対が複製によって、本来Ｇ≡Ｃできいものでも0.1ミクロン（１万分の１ミリ）以あった塩基対がＡ＝Ｔ塩基対に変わる突然変異を下なので、通常の光学顕微鏡で観察しても、その引き起こします（図１右）。

構造は見えません。たんぱく質の構造を調べるためには、主に「Ｘ線結晶構造解析」という手法が４．メチル基転移酵素による修復用いられます。

O ６ −メチルグアニンは、O ６ −メチルグアニ

Ｘ線結晶構造解析では、最初に純度の高いたんン DNA−メチル基転移酵素（MGMT）により、ぱく質をある程度の量を集め（作り）ます。その直接修復されます。この酵素（たんぱく質の一たんぱく質を特定の条件の下で結晶化させます。

種）は酵素自身のシステイン（アミノ酸の一種）

イメージとしては雪の結晶よりも塩の結晶に近い

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私の研究感じです。従来は、この結晶化実験が比較的難し多くは熱変成を起こし、取り除くことができます。

く時間がかかっていましたが、現在はロボットをさらに、液体カラムクロマトグラフィーという細開発したり、宇宙ステーションを利用したりする

かいビーズ状の樹脂にたんぱく質の性質ごとに吸など様々な工夫がなされています。この結晶にＸ着させる手法を用いて、純度を上げました。

線をあてると、回折というＸ線の向きが変わる現精製したたんぱく質を用いて、400条件程度の象が観測されます。この回折Ｘ線を測定し、たん結晶化を行ったところ、Ｘ線を照射し回折実験がぱく質内部の電子の分布を計算することで、原子できるような結晶ができました（図２）。この結の位置を決めることができます。結晶にあてるＸ

晶を用いて、放射光で測定を行い、立体構造を求線は、細く絞った強いＸ線が適しており、放射光めました（図３）。

を利用しています。放射光は、数十億電子ボルトに加速した電子を大きなリング状の電磁石の中で高速回転させると、発生する大きなエネルギーを持つ電磁波です。茨城県つくば市にある高エネル
ギー加速器研究機構のフォトンファクトリーが代表的な施設です。

６．MGMT のＸ線結晶構造解析
MGMT が O ６−メチルグアニンのメチル基をシステインに転移する様子をＸ線結晶構造解析によって調べました。
結晶化を行うためには、その条件検討も含め多図２

MGMT の結晶写真

図３

MGMT の立体構造

量のたんぱく質が必要となるため、大腸菌による多量発現系を利用しました。これは、大腸菌にプラスミドと呼ばれる特定のたんぱく質（ここでは MGMT）の遺伝子をもつ DNA を取り込ませ、そのたんぱく質を多量に作る特徴を持たせたものです。この大腸菌を数リットルの液体培地中で増殖させることで、多量の MGMT を作らせました。
大腸菌から MGMT を取り出して、純度を高くする作業を精製といいます。今回用いた MGMT は、元々、好熱性古細菌という通常は温泉の中で生育している菌が生産しているたんぱく質のため、熱に強いという特徴があります。そのため、大腸菌を超音波によって破砕して、細胞の中身を取り出した後に、加熱することで大腸菌のたんぱく質の40

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７．MGMT の反応メカニズム
さ ら に O ６− メ チ ル グ ア ニ ン を 取 り 込 ん だ
MGMT の立体構造を解析することで、メチル基転移のメカニズムが明らかになりました（図４）。
活性部位（化学反応が起こる酵素の部分）は、セリンプロテアーゼと呼ばれる別の酵素が持つアスパラギン酸−ヒスチジン−セリンの三つのアミノ酸からなるカタリティックトライアッド（触媒三人組）に似た様式をしたグルタミン酸（Glu）−ヒスチジン（His）−水（Ｗ）−システイン（Cys）の４者ネットワークを形成していて、O ６−メチルグアニンのメチル基が Cys に転移すると４者ネットワークは崩壊し、この酵素は失活することがわかりました。
メチル基を受け取る Cys をセリン（ＳがＯに置き換わっているアミノ酸）に置き換えた変異体の立体構造からは、メチル基の転移が起こらず、システインの硫黄（Ｓ）原子のアニオン化（：Ｓ）が必要であることが分かりました。
図４

MGMT のメチル基転移メカニズム

８．おわりに
私たちは日頃から、様々な化学物質や放射線にさらされており、それは DNA からなる遺伝子のい換えただけで、それは生命の進化の主要な要因損傷をもたらしています。しかし、生命はそれにであり、DNA 修復の頻度は進化の速度に影響を打ち勝つ力を持ち合わせており、修復という作用与えます。個々の生物（個体）で見た場合には致により、損傷した部分をもとに戻します。方や一命的な損傷であっても、種全体から見たら実はそ方では、損傷という表現を変化あるいは変異と言れは大いなる飛躍への一歩かもしれません。

＜プロフィール＞
1972年 神奈川県生まれ。1996年 東京工業大学生命理工学部卒業、2001年 東京工業大学大学
院生命理工学研究科博士後期課程修了、博士（理学）、同年 いわき明星大学理工学部ハイテクリサーチセンター博士研究員、2002年 昭和大学薬学部助手、2007年 いわき明星大学薬学部講師、2013年 同准教授、2015年 いわき明星大学大学院理工学研究科 兼任。

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