このページはRCSBの David S. Goodsell博士による「Molecule of the Month」2007年7月の記事を日本語に訳したものです。転載・引用については利用規約をご覧下さい。
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:翻訳 工藤高裕 (PDBj)
チミン2量体を含むDNA鎖(上:PDB:1n4e、下:PDB:1ttd)

夏がやってくると、みんな外に出て日光浴を楽しむ。しかし日よけクリームを忘れてはいけない、なぜなら過剰な日光が細胞に害を与えるからである。少量の日光はビタミンDをつくるのに必要だが、大量の日光はDNAに危害を加える。その主要因は日光に含まれる紫外線である。その中で最もエネルギーが高く有害な紫外光の波長は、UVCと呼ばれており、大気上層のオゾンによって遮蔽されている(少なくとも今のところは)。ところがUVA、UVBと呼ばれているより弱い紫外光は、大気を通り抜けDNAに化学的な変化を起こすのに十分な強度を持ってやってくる。

危険な2量体

紫外光はDNAのチミン塩基とシトシン塩基が持つ二重結合によって吸収される。紫外光が吸収されてエネルギーが与えられると、二重結合は開いて隣接する塩基と反応できるようになる。もし隣接する塩基がチミンまたはシトシンであった場合、2つの塩基間で共有結合をつくることができる。ここに示したのはその中でも最もよく見られる反応で、2つのチミン塩基が2本の結合によってつながれ強固なチミン2量体を形成したものである。上の図はPDBエントリー 1n4e から、下の図はPDBエントリー 1ttd 得られたものである。この現象は珍しいものではない。日光を浴びていると毎秒50個から100個ものチミン2量体が皮膚細胞でつくられているのだ!

ポリメラーゼに関する問題

このような2量体は厄介もので、DNAの中に堅いもつれをつくる。それが細胞のDNAを複製する際に問題となる。DNAポリメラーゼが2量体に行き当たると配列を読み込むことができなくなる。なぜなら2量体は活性部位にすんなりとははまらないからである。ただ、ここに示したようなチミン2量体(TTダイマー)の存在は主たる問題ではない。なぜなら、DNA複製の際、通常は正しくアデニンと組ををつくるからである。ところが、シトシン2量体(CCダイマー)の場合はうまくいかない。DNAポリメラーゼはよく間違えて、本来の対合相手であるグアニンの代わりにアデニンを持ってきてしまい変異を起こす。もしこのような事態が、細胞の成長を制御する重要な遺伝子で起こったら、その変異はがんを引き起こしうる。そのような遺伝子として、Srcトリプシンリン酸化酵素やp53腫瘍抑制因子の遺伝子が挙げられる。

誤りの制御

DNA修復酵素(左 DNAエンドヌクレアーゼ PDB:1vas、右 光修復酵素 PDB:1tez)

我々はたくさんの日光を浴びて暮らしているので、こういった問題を修正する強力な機構を持っているのは当然である。我々の細胞はヌクレオチド除去修復と呼ばれる反応過程を使うが、これにはタンパク質の大きな集合体が一致団結して働く必要があり、それによって、壊れた塩基を認識し、誤りを含むDNA部分を切り出した上で、損傷した部分に新しいコピーを作り出す。他の生物では、更に追加の集合機構を持っている。例えば、上図左の酵素(PDBエントリー 1vas )は、損傷した塩基を切り出して修復できる場所をつくるエンドヌクレアーゼである。驚くべきことに、このエンドヌクレアーゼはチミン2量体を直接認識している訳ではない。図を見ると、図中に赤紫色で描かれてたチミン2量体が酵素に全く触れていないことが分かる。酵素はその代わりにチミン2量体と組を形成しているアデニンを認識するのである。塩基対相互の結合は2量体の歪んだ形によって弱められているので、アデニンは簡単にはじきとばされ酵素の窪みに結合する。上図右の酵素(PDBエントリー 1tez )は光修復酵素(photolyase)で、2量体をつないでいる結合を直接切断し、その部分を修復する。皮肉なことに、光修復酵素はその反応を強化するのに可視光を使っている。この構造はチミン2量体が修復された後のDNAを捕えている。2つのチミン塩基(赤紫色)は通常のDNAらせんからは飛び出しており、酵素表面の窪みに結合していることに注目して欲しい。

構造を見る

通常のDNAポリメラーゼ(右、PDB:1sl2)とチミン2量体があっても処理できるDNAポリメラーゼ(左、PDB:1rys)

ほとんどのDNAポリメラーゼはチミン2量体などのピリミジン2量体を持つDNAの複製には苦労する。上図左の酵素(PDBエントリー 1rys )は例外で、損傷DNAを読み取れるよう設計されている。この酵素は活性部位はゆるい構造を持ち、堅いチミン2量体を取り込むことができる。ところが、この開いた活性部位は複製の際誤りを招きやすい。一方、最も典型的なDNAポリメラーゼは上図右に示したPDBエントリー 1sl2 のものである。こちらはの酵素はしっかりDNAを包み込むので、よくDNAと接触し正確にDNAを複製する。ところが損傷のある塩基の複製は困難を極め、通常のDNA複製に比べるとチミン2量体を含むDNAの複製速度は3000分の1になってしまう。

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PDB ID Title Authors Publication Year Journal Name Volume No First Page Pubmed ID
2ja5 CPD damage recognition by transcribing RNA polymerase II. (転写RNAポリメラーゼIIによるCPD損傷認識) Brueckner, F., Hennecke, U., Carell, T., Cramer, P. 2007 Science 315 859 17290000
2ja6
2ja7
2ja8
1n4e Crystal structure of a DNA decamer containing a cis-syn thymine dimer. (cis-synチミン2量体を含むDNA12量体の結晶構造) Park, H., Zhang, K., Ren, Y., Nadji, S., Sinha, N., Taylor, J.-S., Kang, C. 2002 Proc. Natl. Acad. Sci. USA 99 15965 12456887
1t4i
1sm5
1iqu Crystal structure of thermostable DNA photolyase: pyrimidine-dimer recognition mechanism. (熱安定性DNA光分解酵素の結晶構造:ピリミジン2量体認識機構) Komori, H., Masui, R., Kuramitsu, S., Yokoyama, S., Shibata, T., Inoue, Y., Miki, K. 2001 Proc. Natl. Acad. Sci. USA 98 13560 11707580
2bq3 DNA adduct bypass polymerization by Sulfolobus solfataricus DNA polymerase Dpo4: analysis and crystal structures of multiple base pair substitution and frameshift products with the adduct 1,N2-ethenoguanine. (好熱性古細菌 Sulfolobus solfataricus のDNAポリメラーゼDpo4によるDNA内転迂回路の多量化:複数塩基対の置換と枠移動による産物と内転1,N2-エテノグアニンとの分析と結晶構造) Zang, H., Goodenough, A.K., Choi, J.Y., Irimia, A., Loukachevitch, L.V., Kozekov, I.D., Angel, K.C., Rizzo, C.J., Egli, M., Guengerich, F.P. 2005 J.Biol.Chem. 280 29750 15965231
2bqr
2bqu
2br0
2c22 Efficient and high fidelity incorporation of dCTP opposite 7,8-dihydro-8-oxodeoxyguanosine by Sulfolobus solfataricus DNA polymerase Dpo4. (好熱性古細菌 Sulfolobus solfataricus のDNAポリメラーゼDpo4によるdCTPの逆側の7,8-ジヒドロ-8-オキソデオキシグアノシンの効率的で高い正確さをもって行われる取り込み) Zang, H., Irimia, A., Choi, J.-Y., Angel, K.C., Loukachevitch, L.V., Egli, M., Guengerich, F.P. 2006 J.Biol.Chem. 281 2358 16306039
2c28
2c2d
2c2e
2c2r
2uvr Hydrogen bonding of 7,8-dihydro-8-oxodeoxyguanosine with a charged residue in the little finger domain determines miscoding events in Sulfolobus solfataricus DNA polymerase Dpo4. (好熱性古細菌 Sulfolobus solfataricus のDNAポリメラーゼDpo4において7,8-ジヒドロ-8-オキソデオキシグアノシンと小さなフィンガードメインにある荷電残基との間の水素結合が誤った符号化の発生を決定している) Eoff, R.L., Irimia, A., Angel, K.C., Egli, M., Guengerich, F.P. 2007 J Biol Chem. 282 19831 17468100
2uvu
2uvv
2uvw
2jef Molecular basis of selectivity of nucleoside triphosphate incorporation opposite O6-benzylguanine by Sulfolobus solfataricus DNA polymerase Dpo4: steady-state and pre-steady-state kinetics and x-ray crystallography of correct and incorrect pairing. (好熱性古細菌 Sulfolobus solfataricus のDNAポリメラーゼDpo4によるO6-ベンジルグアニンの逆側へのヌクレオシド3リン酸取り込みの選択性に関する分子的基礎:安定状態および不安定状態の動力学と正しい組み合わせおよび不正な組み合わせのX線結晶学) Eoff, R.L., Angel, K.C., Egli, M., Guengerich, F.P. 2007 J.Biol.Chem. 282 13573 17337730
2jeg
2jei
2jej
2j07 Natural and non-natural antenna chromophores in the DNA photolyase from Thermus thermophilus. (好熱性細菌 Thermus thermophilus から得られたDNAポリメラーゼに含まれるアンテナ発色団の天然状態と非天然状態) Klar, T., Kaiser, G., Hennecke, U., Carell, T., Batschauer, A., Essen, L.-O. 2006 Chembiochem 7 1798 17051659
2j08
2j09
1skr Nucleotide insertion opposite a cis-syn thymine dimer by a replicative DNA polymerase from bacteriophage T7. (バクテリオファージT7から得られた複製DNAポリメラーゼによるcis-synチミン2量体の反対側へのヌクレオチド挿入) Li, Y., Dutta, S., Doublie, S., Bdour, H.M., Taylor, J.S., Ellenberger, T. 2004 Nat.Struct.Mol.Biol. 11 784 15235589
1sks
1skw
1sl0
1sl1
1sl2
1ryr Replication of a cis-syn thymine dimer at atomic resolution. (原子レベルの解像度でのcis-synチミン2量体複製) Ling, H., Boudsocq, F., Plosky, B., Woodgate, R., Yang, W. 2003 Nature 424 1083 12904819
1rys
1ql5 Solution structure of the DNA decamer duplex containing a 3'-T x T basepair of the cis-syn cyclobutane pyrimidine dimer: implication for the mutagenic property of the cis-syn dimer. (DNA12量体2本鎖にcis-synシクロブタン ピリミジン2量体の3'-T x T塩基対を含んだものの溶液状態での構造:cis-syn2量体の変異原性性質についての意味) Lee, J.-H., -J Choi, Y., Choi, B.-S. 2000 Nucleic Acids Res. 28 1794 10734199
1coc Solution-state structure of a DNA dodecamer duplex containing a Cis-syn thymine cyclobutane dimer, the major UV photoproduct of DNA. (DNA12量体2本鎖にCis-synチミンシクロブタン2量体(紫外線がDNAに当たってできる主要生成物の一つ)を含んだものの溶液状態での構造) McAteer, K., Jing, Y., Kao, J., Taylor, J.S., Kennedy, M.A. 1998 J.Mol.Biol. 282 1013 9753551
1ttd
2bto Structure of bacterial tubulin BtubA/B: evidence for horizontal gene transfer. (細菌のチューブリンBtubA/Bの構造:水平遺伝子転移の証拠) Schlieper, D., Oliva, M.A., Andreu, J.M., Lowe, J. 2005 Proc. Natl. Acad. Sci. USA 102 9170 15967998
2j6s Sulfolobus solfataricus DNA polymerase Dpo4 is partially inhibited by "wobble" pairing between O6-methylguanine and cytosine, but accurate bypass is preferred. (好熱性古細菌 Sulfolobus solfataricus のDNAポリメラーゼDpo4はO6-メチルグアニンとシトシンがぐらついた組をつくることによって部分的に阻害されるが、正確な迂回路がより好んで選択される) Eoff, R.L., Irimia, A., Egli, M., Guengerich, F.P. 2007 J.Biol.Chem. 282 1456 17105728
2j6t
2j6u
1tpt Three-dimensional structure of thymidine phosphorylase from Escherichia coli at 2.8 A resolution. (大腸菌から得られたチミジン加リン酸分解酵素の解像度2.8Åでの三次元構造) Walter, M.R., Cook, W.J., Cole, L.B., Short, S.A., Koszalka, G.W., Krenitsky, T.A., Ealick, S.E. 1990 J.Biol.Chem. 265 14016 2199449

チミン2量体についてさらに知りたい方へ

以下の参考文献もご参照ください。

  • H. S. Black, F. R. deGruijl, P. D. Forbes, J. E. Cleaver, H. N. Ananthaswamy, E. C. deFabo, S. E. Ullrich and R. M. Tyrrell (1997) Photocarcinogenesis: an overview. Journal of Photochemistry and Photobiology B: Biology 40
  • T. Lindahl and R. D. Wood (1999) Quality control by DNA repair. Science 286



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2007-07-01 (last edited: 10 months ago)2016-09-09
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