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平成19年3月10日

科学技術振興機構(JST)
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京都大学
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DNA損傷修復に重要な働きをする酵素を解明
(がんの放射線治療・化学療法への応用に期待)

 JST(理事長 沖村憲樹)と京都大学(総長 尾池和夫)は、ユビキチン化注1に関係するUBC13と呼ばれる酵素が、染色体DNAの断裂を修復する過程で重要な役割をすることを解明しました。
 染色体DNAの損傷は、細胞内における正常な代謝の過程でも1細胞につき1日あたり50,000〜500,000回の頻度で発生します。この染色体DNAが1カ所でも切断されると、その切断は1分以内に細胞内で認識されます。この認識には、ATMと呼ばれるタンパク質リン酸化酵素注2が関与することが以前から解明されていました。ATMが様々なタンパク質分子をリン酸化することで、切断を修復(再結合)する生化学反応が始まり、修復が完了するまで細胞分裂は一時停止します。そして、もし一定時間(数時間)内に1カ所でも切断が残っていると、細胞自殺のプログラム注3が起動することが知られていました。しかし、DNA修復がどのようなメカニズムによって起動されるのか、という本質的な疑問は謎のままでした。
 本研究チームは、染色体DNAに切断が発生すると、損傷した部分において1分以内に、ATMによるリン酸化と並行してUBC13によるユビキチン化が大規模に開始されることを発見しました。一方、UBC13を人工的に欠損させた細胞では、相同組み換え注4によるDNA切断修復が全く始まりませんでした。
 今回の成果により、DNA切断部分のユビキチン化の重要性が初めて明らかになりました。染色体DNA切断による細胞自殺への誘導は、がんに対する放射線治療や抗がん剤シスプラチン注5およびカンプトテシン注6などの化学療法の治療原理です。DNA切断を効率よく修復するメカニズムの理解は、これらがん治療の効果を治療前に予測するために重要な情報となります。今回の成果により、ガン細胞におけるUBC13の機能を測定することが、がん治療の効果を予測することに有用であることがわかりました。そしてUBC13を阻害剤する薬の開発は、将来に放射線や抗がん剤の治療効果を高めることに役立つと考えられます。
 本研究は、JST戦略的創造研究推進事業チーム型研究(CREST)「ゲノムの構造と機能」研究領域(研究総括:大石道夫)の研究テーマ「高等真核細胞で標的組換えの効率を上昇させる方法の開発」(研究代表者・武田俊一、京都大学大学院医学研究科・教授)の一環として行われました。今回の研究成果は、米国科学雑誌「Molecular Cell」オンライン版に2007年3月9日(米国東部時間)に公開され、3月10日の誌面に掲載されます。


<研究の背景と経緯>

 染色体DNAは、コンピューターに例えると蛋白分子の情報が書かれたハードディスクに相当します。ハードディスクの情報にバグが入るように、染色体DNAは、1日1細胞あたり最大50万回程度の損傷が発生することが知られており、その原因は活性酸素種や紫外線など内的要因および環境要因によるものがあります。そして、バグを検出して修復するソフトウエアに相当するメカニズムが細胞内に複数存在し、DNA損傷の発生は常にモニターされ、すみやかに修復されます。様々なDNA損傷のうちでも染色体DNA切断(図1)が最も重篤な損傷であり、ハードディスクのひび割れに相当します。切断が1カ所でも修復されないまま残ると、そのような切断を残した細胞は将来にがん化する恐れがあるため、細胞自殺プログラムが起動します。がん細胞も細胞自殺プログラムを不完全ながら保持しており、人工的にDNA切断を誘導することによって、そのプログラムを起動させることが、抗がん治療の手段の1つとなります。
 DNA切断は、相同組み換え(図2)と非相同末端結合(図3)と呼ばれる2種類のメカニズムによって修復されることがわかっています。このうち相同組み換えは20種類以上の分子が関わる複雑な生化学反応です(図4)。酵母では、X線照射によって生じたDNA切断(図1)が主に相同組み換えによって修復されるので、X線に弱い酵母変異体をスクリーニングすることによって、1980年代に相同組み換えに関与する遺伝子が同定されてきました。さらに1993年に相同組み換えの分子メカニズムの研究において大きなブレイクスルーがありました。それは大阪大学理学部の教授・助教授(当時)であった小川夫妻と篠原博士らによって、相同組み換えに関与する遺伝子が酵母からヒトまで高度に保存されていることが解明されたことです。この業績によって、酵母の遺伝学的解析とヒトゲノムプロジェクトがリンクするようになり、『酵母の遺伝学的解析->データベース上の相同配列検索->ヒトや他の種の相同組み換え因子の同定』という手順によって、ヒトの相同組み換えの分子機構が1990年代後半からようやく研究できるようになりました。
 ところが、酵母で見つかった相同組み換え因子のマウス相同遺伝子をES細胞で破壊して、その因子が欠損したマウスを作ろうとした時に困ったことが生じました。それは欠損マウスが成長できずに胎内で死んでしまうことです。この知見から、相同組み換えと呼ばれるDNA修復メカニズムは、動物細胞が分裂する時に重要な働きをしているらしい、ということがわかりました。

<研究成果の内容>

 我々の研究室ではこの重要な働きを調べる為に、外来DNAのターゲット挿入(図5)が効率よく起き、遺伝子破壊しやすいニワトリBリンパ細胞株、DT40を使うことにしました。UBC13とは、酵母からヒトに至るまで同じ内容で保存された遺伝子からなる酵素です。UBC13はユビキチン(E2)リガーゼと呼ばれる酵素に分類されます。ユビキチンは76個のアミノ酸からなる分子であり、ユビキチンリガーゼは標的となるタンパク質の中に存在するリジンと呼ばれるアミノ酸分子にユビキチンを共有結合させます。このリジンにユビキチンが共有結合するユビキチン化により、標的となる分子が分解を受けたり、シグナル伝達を行う機能を持ったりします。酵母のUBC13はDNA修復に一定の役割を果たしていますが、切断されたDNAの修復には機能しません。我々は、ヒトも含めて動物細胞で初めてUBC13が完全に欠損した細胞を作製することによって、このUBC13がヒトやニワトリ細胞において重要かつ予想外の機能を持つことを突き止めました。
  本研究チームは、このUBC13を破壊したニワトリ細胞を作製しました。その作製したUBC13破壊細胞は病的で、その原因を調べると、UBC13破壊細胞はDNA複製中に自然発生した染色体DNA切断を完全には修復できず、その結果、細胞分裂ごとに一定の割合の「細胞の自殺」が起こることがわかりました。これは様々な相同組み換え欠損細胞に共通して観察される性質です。また、UBC13破壊細胞は、放射線照射によって細胞が死にやすいことも判明しました(図6)。この研究により、UBC13破壊細胞では相同組み換え機能が大きく低下していることが確認されました。
  本研究で注目した相同組み換えとは、全体として7ステップからなる複雑な生化学反応です(図4)。UBC13なしにどのステップで反応が進まなくなるかを調べたところ、初期のステップということがわかりました(図7)。一方、細胞自殺プログラムの起動はUBC13破壊細胞で正常に起こっていることがわかりました。DNA損傷修復のためのもう1つのメカニズムである非相同末端結合(図3)も、正常に機能していました。これらと同様の知見が、UBC13タンパク質のレベルを人工的に低下させたヒト細胞でも観察されました。以上の観察結果から、UBC13はDNA切断を修復する為に、相同組み換えを開始させる為のキープレイヤーであることが解明できました。

<今後の展開>

今回の研究により、以下の4方向への研究の展開が進むと考えられます。

(1)今回、ユビキチンリガーゼUBC13によるユビキチン添加の標的となる分子の1つを同定しました。しかしタンパク質リン酸化酵素ATMのように、もっと多種類の標的分子があるはずです。この標的分子を同定することによって、UBC13が相同組み換えをどのように始めるかが解明できると考えられます。

(2)今回の研究成果によって、UBC13とその関連分子が、がん治療の効果を決定する重要な因子であることが明らかになりました。近年、抗がん剤や放射線治療を始める前にどのような治療の組み合わせが最適かを、がんの遺伝子発現(ヒトの3万種類の遺伝子のうち、どれが各がん細胞でタンパク質を作っているか)を調べることで、予測しようとするゲノム情報学が発達してきました。このようなゲノム情報学では、抗がん剤や放射線治療を受けた細胞の各遺伝子が持つ機能を正確に知ることによって、より精度の高い予測が可能なアルゴリズムを設計できます。従って、将来的にがん治療の計画を立てるためのソフトウエアの開発に貢献できると考えられます。

(3)もし、UBC13とその関連分子を抑制する有機化合物(医薬品)が開発できれば、放射線治療やシスプラチン(染色体DNA切断によって細胞自殺を誘導)と併用することによって、治療効果を大きく上昇できることも明らかになりました。

(4)本研究チームでは、ニワトリBリンパ細胞株、DT40(図5)を使って相同組み換え因子の機能解析を着実に進めております。相同組み換えはES細胞において遺伝子改変を行なう時にも使われる生化学反応です(図5)。この複雑な反応の全貌を明らかにすることによって遺伝子改変の効率を上げ、将来的に、品種改良や遺伝子治療がもっと簡単かつ安全にできるようになると考えられます。

図1 図2 図3 図4 図5 図6 図7
<用語解説>

<論文名>

「A critical role for the ubiquitin-conjugating enzyme Ubc13 in initiating homologous recombination」
(UBC13が、相同組み換えによる2重鎖DNA切断の修復を開始するのに重要な働きをする)
doi: 10.1016/j.molcel.2007.01.029

<研究領域等>

この研究テーマが含まれる研究領域、研究期間は以下のとおりです。
○戦略的創造研究推進事業 チーム型研究(CREST)
研究領域: 「ゲノムの構造と機能」
(研究総括:大石 道夫 財団法人かずさDNA研究所 理事長兼所長)
研究課題名: 「高等真核細胞で標的組換えの効率を上昇させる方法の開発」
研究代表者: 武田 俊一 京都大学医学研究科 教授
研究期間: 平成12年度〜平成17年度

<お問い合わせ先>

武田 俊一(たけだ しゅんいち)
京都大学 大学院医学研究科 放射線遺伝学
〒606-8501 京都府京都市左京区吉田近衛町
TEL:075-753-4410 FAX:075-753-4419
E-mail:

園田 英一朗(そのだ えいいちろう)
京都大学 大学院医学研究科 放射線遺伝学
〒606-8501 京都府京都市左京区吉田近衛町
TEL:075-753-4410 FAX:075-753-4419
E-mail:

中田 一隆(なかだ かずたか)
独立行政法人科学技術振興機構
戦略的創造事業本部 研究推進部 研究第一課
〒332-0012 埼玉県川口市本町4-1-8
TEL:048-226-5635 FAX:048-226-1164
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