非相同末端結合

非相同末端結合（ひそうどうまったんけつごう、non-homologous end joining (NHEJ)) とは、DNA二重鎖切断のDNA修復メカニズムの一つである。DNA末端を直接繋ぎ合わせるため、相同組換えと異なり姉妹染色分体を必要とせず、すべての細胞周期内において機能する一方、DNA末端の接合部において変異が起こりやすいLieber, M. R. (2010). The mechanism of Double-Strand DNA break repair by the nonhomologous DNA End-Joining pathway. Annual Review of Biochemistry, 79 (1), 181-211. URL https://doi.org/10.1146/annurev.biochem.052308.093131。DNA破損で生じた二重鎖切断の修復のほか、抗体遺伝子の組換えシステムであるV(D)J組換え、クラススイッチ組換えで生じるDNA二重鎖切断の結合も行う。NHEJは典型的なものと(classical NHEJ(C-NHEJ)と、DNA末端のマイクロホモロジーを利用する代替的なもの(alternative end joining (AEJ)、backup NHEJ (B-NHEJ)もしくはmicrohomology-mediated end joining (MMEJ))に分割され、二つの経路において関係するタンパク質が異なる。

 ヒトにおけるNHEJ 
ヒトにおけるNHEJは真核生物全体で共通したメカニズムを持つが、 例えば酵母においては主要なタンパク質の一つであるDNA-dependent protein kinase catalytic subunit (DNA-PKcs)が存在しないという意味で多少異なるSmith, G. C. M., & Jackson, S. P. (1999). The DNA-dependent protein kinase. Genes & Development, 13 (8), 916-934. URL https://genesdev.cshlp.org/content/13/8/916.abstract。NHEJは三つのステップに分割でき、対合(synapsisもしくはend bridging)、末端処理(end processing)、末端結合(end joiningもしくはライゲーション)となっている。ヒトのNHEJにおいて主なタンパク質は、Ku70とKu80からなるKu異性二量体(Ku)、DNA-PKcs、Artemis、DNA polymerase μ(pol μ)、DNA polymerase λ(pol λ)、XRCC4、DNA ligase IV(LigIV)、XLF/Cernunnos(XLF)、Paralog of XRCC4 and XLF(PAXX)Ochi, T., Blackford, A. N., Coates, J., Jhujh, S., Mehmood, S., Tamura, N., Travers, J., Wu, Q., Draviam, V. M., Robinson, C. V., Blundell, T. L., Jackson, S. P., Jan. 2015. PAXX, a paralog of XRCC4 and XLF, interacts with ku to promote DNA double-strand break repair. Science 347 (6218), 185-188. URL https://doi.org/10.1126/science.1261971だが、他にもMRN複合体Williams, G. J., Lees-Miller, S. P., & Tainer, J. A. (2010). Mre11-Rad50-nbs1 conformations and the control of sensing, signaling, and effector responses at DNA double-strand breaks. DNA Repair, 9 (12), 1299-1306. URL https://doi.org/10.1016/j.dnarep.2010.10.001、53BP1Dimitrova, N., Chen, Y.-C. M., Spector, D. L., & de Lange, T. (2008). 53BP1 promotes non-homologous end joining of telomeres by increasing chromatin mobility. Nature, 456 (7221), 524-528. URL https://doi.org/10.1038/nature07433Difilippantonio, S., Gapud, E., Wong, N., Huang, C.-Y. Y., Mahowald, G., Chen, H. T. T., Kruhlak, M. J., Callen, E., Livak, F., Nussenzweig, M. C., Sleckman, B. P., & Nussenzweig, A. (2008). 53BP1 facilitates long-range DNA end-joining during V(D)J recombination. Nature, 456 (7221), 529-533. URL https://doi.org/10.1038/nature07476、PNKP、Aprataxin、APLF、TdT, WRNなどのタンパク質も関係していることが知られている。以下に述べるNHEJのステップは典型的なものであり、時系列的にどのタンパク質がいつ招集されるか、KuがDNAに結合することがNHEJを開始する引き金であること以外未だはっきりとしてない。

 対合 
DNA二重鎖切断によって生じたDNA末端にKuが結合し、DNA-PKcsがKu80のC末端にある12残基からなるペプチドを通してDNA末端に招集され、DNA、Ku、DNA-PKcsで構成されるDNA-PK複合体(DNA-PK)を形成するDowns, J. A., & Jackson, S. P. (2004). A means to a DNA end: the many roles of ku. Nature Reviews Molecular Cell Biology, 5 (5), 367-378. URL https://doi.org/10.1038/nrm1367Gell, D., Jackson, S. P., Sep. 1999. Mapping of protein-protein interactions within the DNA-dependent protein kinase complex. Nucleic Acids Research 27 (17), 3494-3502. URL https://doi.org/10.1093/nar/27.17.3494。DNA-PK同士が相互作用することでDNA末端が対合され、また対合したDNA-PKは自己リン酸化することでDNA末端を次のステップである末端処理と末端結合のためにアクセス可能とするNeal, J. A., & Meek, K. (2011). Choosing the right path: Does DNA-PK help make the decision? Mutation Research/Fundamental and Molecular Mechanisms of Mutagenesis, 711 (1-2), 73-86. URL https://doi.org/10.1016/j.mrfmmm.2011.02.010。なおDNA-PK以外にもXRCC4とXLFの複合体で構成されるタンパク質フィラメントも対合に関係しているとも報告されているRoy, S., Andres, S. N., Vergnes, A., Neal, J. A., Xu, Y., Yu, Y., Lees-Miller, S. P., Junop, M., Modesti, M., & Meek, K. (2012). XRCC4's interaction with XLF is required for coding (but not signal) end joining. Nucleic Acids Research, 40 (4), 1684-1694. URL https://doi.org/10.1093/nar/gkr1315 。さらにXRCC4とXLFのパラログであるPAXXがKuと相互作用することで、NHEJタンパク質をDNA損傷部分に安定化させ、NHEJを促進することが知られているXing, M., Yang, M., Huo, W., Feng, F., Wei, L., Jiang, W., Ning, S., Yan, Z., Li, W., Wang, Q., Hou, M., Dong, C., Guo, R., Gao, G., Ji, J., Zha, S., Lan, L., Liang, H., Xu, D., Feb. 2015. Interactome analysis identifies a new paralogue of XRCC4 in non-homologous end joining DNA repair pathway. Nature Communications 6, 6233+. URL https://doi.org/10.1038/ncomms7233Craxton, A., Somers, J., Munnur, D., Jukes-Jones, R., Cain, K., Malewicz, M., Mar. 2015. XLS (c9orf142) is a new component of mammalian DNA double-stranded break repair. Cell Death & Differentiation aop (current). URL https://doi.org/10.1038/cdd.2015.22。

 末端処理 
DNA末端の構造は破損の状況によって異なり、場合によっては対合された二つのDNA末端がLigIVによって直接結合不可能なため、ヌクレアーゼやポリメラーゼなどによって処理される。ArtemisヌクレアーゼはDNA-PKcsと複合体を形成し、C末端のリン酸化を通して活性化され、ヘアピンDNAをオープンする機能を持つMa, Y., Pannicke, U., Schwarz, K., & Lieber, M. R. (2002). Hairpin opening and overhang processing by an Artemis/DNA-dependent protein kinase complex in nonhomologous end joining and V(D)j recombination. Cell, 108 (6), 781-794. URL https://doi.org/10.1016/s0092-8674(02)00671-2。またエンドヌクレアーゼ活性を持つことも知られている。相補的DNAが欠損している部分は、pol μもしくはpol λによって修復される。これらのポリメラーゼはBRCTドメインを持ち、Kuおよび（または）LigIV/XRCC4と相互作用することによってDNA末端に招集されるMoon, A. F., Garcia-Diaz, M., Batra, V. K., Beard, W. A., Bebenek, K., Kunkel, T. A., Wilson, S. H., & Pedersen, L. C. (2007). The x family portrait: structural insights into biological functions of x family polymerases. DNA repair, 6 (12), 1709-1725. URL https://doi.org/10.1016/j.dnarep.2007.05.009 。またearly lymphoid cellに置いては、同じポリメラーゼXファミリーに属するTdTもBRCTドメインを通してKuとLigIV/XRCC4複合体と相互作用し、V(D)J組換えの末端処理ステップにおいて機能するGellert, M. (2002). V(D)j recombination: RAG proteins, repair factors, and regulation. Annual review of biochemistry, 71 , 101-132. URL https://doi.org/10.1146/annurev.biochem.71.090501.150203。他にもKu自身リアーゼとして機能しRoberts, S. A., Strande, N., Burkhalter, M. D., Strom, C., Havener, J. M., Hasty, P., & Ramsden, D. A. (2010). Ku is a 5[prime]-dRP/AP lyase that excises nucleotide damage near broken ends. Nature, 464 (7292), 1214-1217.、PNKP、Aprataxin、APLFもFHAドメインを通してCK2によってリン酸化されたXRCC4と相互作用しDNA末端の処理を行う。

 末端結合 
DNA末端の結合はLigIV、XRCC4、XLFで構成されるリガーゼ複合体によって行われる。これらの複合体はそれぞれのタンパク質がDNA-PKと相互作用することでDNA末端に招集される。LigIV単体でDNAリガーゼとして機能するが、XRCC4無しではタンパク質レベルで不安定であり、in vivoにおいて常にLigIV/XRCC4複合体として存在していると考えられているBryans, M., Valenzano, M. C., & Stamato, T. D. (1999). Absence of DNA ligase IV protein in XR-1 cells: evidence for stabilization by XRCC4. Mutation Research/DNA Repair, 433 (1), 53-58. URL https://doi.org/10.1016/s0921-8777(98)00063-9。またXLFはミスマッチDNAのライゲーションTsai, C. J., Kim, S. A., & Chu, G. (2007). Cernunnos/XLF promotes the ligation of mismatched and noncohesive DNA ends. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 104 (19), 7851-7856. URL https://doi.org/10.1073/pnas.0702620104やLigIVの再アデニル化の活性化Riballo, E., Woodbine, L., Stiff, T., Walker, S. A., Goodarzi, A. A., & Jeggo, P. A. (2009). XLF-cernunnos promotes DNA ligase IV-XRCC4 re-adenylation following ligation. Nucleic acids research, 37 (2), 482-492. URL https://doi.org/10.1093/nar/gkn957Chen, X., & Tomkinson, A. E. (2011). Yeast nej1 is a key participant in the initial end binding and final ligation steps of nonhomologous end joining. The Journal of biological chemistry, 286 (6), 4931-4940. URL https://doi.org/10.1074/jbc.m110.195024などの補佐的な役割持つことが知られている。

 NHEJタンパク質遺伝子の異常による遺伝病 
これまでにDNA-PKcsvan der Burg, M., Ijspeert, H., Verkaik, N. S., Turul, T., Wiegant, W. W., Morotomi-Yano, K., Mari, P.-O. O., Tezcan, I., Chen, D. J., Zdzienicka, M. Z., van Dongen, J. J., & van Gent, D. C. (2009). A DNA-PKcs mutation in a radiosensitive T-B- SCID patient inhibits artemis activation and nonhomologous end-joining. The Journal of clinical investigation, 119 (1), 91-98. URL https://doi.org/10.1172/jci37141、LigIVChistiakov, D. A., Voronova, N. V., & Chistiakov, A. P. (2009). Ligase IV syndrome. European Journal of Medical Genetics, 52 (6), 373-378. URL https://doi.org/10.1016/j.ejmg.2009.05.009 、ArtemisMoshous, D., Callebaut, I., de Chasseval, R., Corneo, B., Cavazzana-Calvo, M., Le Deist, F., Tezcan, I., Sanal, O., Bertrand, Y., Philippe, N., Fischer, A., & de Villartay, J.-P. (2001). Artemis, a novel DNA Double-Strand break Repair/V(D)J recombination protein, is mutated in human severe combined immune deficiency. Cell, 105 (2), 177-186. URL http://www.cell.com//abstract/S0092-8674(01)00309-9、XLFBuck, D., Malivert, L., de Chasseval, R., Barraud, A., Fondaneche, M.-C., Sanal, O., Plebani, A., Stephan, J.-L., Hufnagel, M., le Deist, F., Fischer, A., Durandy, A., Jean-Pierre, D., & Revy, P. (2006). Cernunnos, a novel nonhomologous End-Joining factor, is mutated in human immunodeficiency with microcephaly. Cell, 124 (2), 287-299. URL https://doi.org/10.1016/j.cell.2005.12.030、XRCC4Shaheen, R., Faqeih, E., Ansari, S., Abdel-Salam, G., Al-Hassnan, Z. N., Al-Shidi, T., Alomar, R., Sogaty, S., Alkuraya, F. S., Feb. 2014. Genomic analysis of primordial dwarfism reveals novel disease genes. Genome Research 24 (2), 291-299. URL https://doi.org/10.1101/gr.160572.113Murray, J. E., van der Burg, M., IJspeert, H., Carroll, P., Wu, Q., Ochi, T., Leitch, A., Miller, E. S., Kysela, B., Jawad, A., Bottani, A., Brancati, F., Cappa, M., Cormier-Daire, V., Deshpande, C., Faqeih, E. A., Graham, G. E., Ranza, E., Blundell, T. L., Jackson, A. P., Stewart, G. S., Bicknell, L. S., Mar. 2015. Mutations in the NHEJ component XRCC4 cause primordial dwarfism. The American Journal of Human Genetics 96 (3), 412-424. URL https://doi.org/10.1016/j.ajhg.2015.01.013の遺伝子異常によって引き起こされる難病が知られている。

LIG4症候群
LIG4遺伝子の変異により機能が低下したLigIVが翻訳されることによって引き起こされる難病。特徴として小頭症、放射線感受性、発育遅延、血球減少、免疫不全などが見られる。患者によっては重症複合型免疫不全(SCID)Enders, A., Fisch, P., Schwarz, K., Duffner, U., Pannicke, U., Nikolopoulos, E., Peters, A., Orlowska-Volk, M., Schindler, D., Friedrich, W., Selle, B., Niemeyer, C., & Ehl, S. (2006). A severe form of human combined immunodeficiency due to mutations in DNA ligase IV. The Journal of Immunology, 176 (8), 5060-5068. URL http://www.jimmunol.org/content/176/8/5060.abstractBuck, D., Moshous, D., de Chasseval, R., Ma, Y., Francoise, L. D., Cavazzana-Calvo, M., Fischer, A., Casanova, J.-L., Lieber, M. R., & deVillartay, J.-P. (2006). Severe combined immunodeficiency and microcephaly in siblings with hypomorphic mutations in DNA ligase IV. Eur. J. Immunol., 36 (1), 224-235. URL https://doi.org/10.1002/eji.200535401Grunebaum, E., Bates, A., & Roifman, C. (2008). Omenn syndrome is associated with mutations in DNA ligase IV. Journal of Allergy and Clinical Immunology, 122 (6), 1219-1220. URL https://doi.org/10.1016/j.jaci.2008.08.031や白血病Riballo, E., Critchlow, S. E., Teo, S. H., Doherty, A. J., Priestley, A., Broughton, B., Kysela, B., Beamish, H., Plowman, N., & Arlett, C. F. (1999). Identification of a defect in DNA ligase IV in a radiosensitive leukaemia patient. Current Biology, 9 (13), 699-S2. URL https://doi.org/10.1016/s0960-9822(99)80311-xBen-Omran, T. I., Cerosaletti, K., Concannon, P., Weitzman, S., & Nezarati, M. M. (2005). A patient with mutations in DNA ligase IV: Clinical features and overlap with nijmegen breakage syndrome. Am. J. Med. Genet., 137A (3), 283-287. URL https://doi.org/10.1002/ajmg.a.30869 、悪性リンパ腫Toita, N., Hatano, N., Ono, S., Yamada, M., Kobayashi, R., Kobayashi, I., Kawamura, N., Okano, M., Satoh, A., Nakagawa, A., Ohshima, K., Shindoh, M., Takami, T., Kobayashi, K., & Ariga, T. (2007). Epstein-Barr virus-associated b-cell lymphoma in a patient with DNA ligase IV (LIG4) syndrome. Am. J. Med. Genet., 143A (7), 742-745. URL https://doi.org/10.1002/ajmg.a.31644も発症する。LIG4症候群の患者に共通して見られる症状は免疫不全というより、極端な成長阻害であることが知られているMurray, J. E., Bicknell, L. S., Yigit, G., Duker, A. L., van Kogelenberg, M., Haghayegh, S., Wieczorek, D., Kayserili, H., Albert, M. H., Wise, C. A., Brandon, J., Kleefstra, T., Warris, A., van der Flier, M., Bamforth, J. S., Doonanco, K., Adès, L., Ma, A., Field, M., Johnson, D., Shackley, F., Firth, H., Woods, C. G., Nürnberg, P., Gatti, R. A., Hurles, M., Bober, M. B., Wollnik, B., Jackson, A. P., Jan. 2014. Extreme growth failure is a common presentation of ligase IV deficiency. Human Mutation 35 (1), 76-85. URL https://doi.org/10.1002/humu.22461。

 引用文献 

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