突然変異は、特定の生物のヌクレオチド配列の永久的な変化です。
突然変異は、DNA複製のエラーや外部からの変異原によって生じることがあります。
突然変異の影響は、細胞にとって有益なものと有害なもののどちらにもなり得ます。
しかし、細胞は突然変異を防ぐために様々な種類の機構を備えている。
DNAの複製に関与する酵素であるDNAポリメラーゼは、DNA複製の際のエラーを防ぐためのいくつかの機構を備えている。
DNA複製の際には、ミスペアとなった塩基はプルーフリーディングによって置き換えられる。
DNA複製の直後には、残ったミスペア塩基が鎖指向性ミスマッチ修復により置換される。
さらに、外的要因による変異は、切除修復、化学的逆戻り、二本鎖切断修復などいくつかのメカニズムによって修復される。
損傷が可逆的な場合は、欠陥のあるDNAを子孫に引き継がないようにするために、細胞はアポトーシスを受ける。
ミューテーションとは
突然変異とは、ゲノムのヌクレオチド配列に永久的かつ遺伝的な変化が起こることを指す。
突然変異は、DNA複製のエラーや突然変異誘発物質と呼ばれる外的要因によって生じることがあります。
突然変異には、点突然変異、フレームシフト突然変異、染色体突然変異の3つがあります。
ポイントミューテーション
点突然変異とは、1塩基の置換のことである。
点突然変異には、ミスセンス、ナンセンス、サイレントという3つのタイプがあります。
ミスセンス変異は遺伝子のコドン1つを変化させ、ポリペプチド鎖のアミノ酸を変化させる。
ナンセンス変異はコドンの配列は変えるものの、アミノ酸の配列は変えない。
サイレント変異は、1つのコドンを同じアミノ酸を表す別のコドンに変更する。
点突然変異は、DNA複製のエラーや突然変異誘発物質によって引き起こされる。
図1に、さまざまなタイプの点突然変異を示す。
：図1 点変異
フレームシフトミューテーション
フレームシフト変異とは、ゲノム上に1塩基または数塩基が挿入または欠失する変異のことである。
挿入、欠失、重複の3つがフレームシフト変異の種類です。
挿入は、配列に1つまたは数個のヌクレオチドが追加されることであり、欠失は配列から数個のヌクレオチドが削除されることである。
重複は、数個のヌクレオチドが繰り返されることである。
フレームシフト変異は、DNA複製のエラーや突然変異誘発物質によっても引き起こされる。
染色体異常
染色体の変異とは、染色体の一部が変化することである。
染色体の突然変異には、転座、遺伝子重複、染色体内欠失、逆位、ヘテロ接合性喪失があります。
転座は、非相同染色体間で染色体の一部が入れ替わることである。
遺伝子重複では、特定の対立遺伝子のコピーが複数出現し、遺伝子量が増加することがあります。
染色体の一部が欠けることを染色体内欠失といいます。
逆位は、染色体セグメントの向きを変える。
遺伝子のヘテロ接合性は、欠失や遺伝子組換えにより、一方の染色体の対立遺伝子が失われることで失われることがあります。
染色体の突然変異は、主に外部からの変異原とDNAへの機械的な損傷によって起こる。
DNAポリメラーゼはどのようにして突然変異を防いでいるのか？
DNAポリメラーゼは、DNA複製の際に、伸びている鎖にヌクレオチド塩基を付加する役割を担う酵素です。
ゲノムの塩基配列は、特定の生物の発生と機能を決定するため、DNA複製の際に既存のゲノムの正確な複製を合成することが重要です。
一般に、DNAポリメラーゼはDNA複製の際に高い忠実度を保ち、109個のヌクレオチドを付加する際に1個のミスマッチを取り込むだけです。
したがって、標準的な相補的塩基対に加えて窒素塩基の間にも不一致が生じると、DNAポリメラーゼはそのヌクレオチドを成長する鎖に付加し、頻繁に突然変異を生じさせることになる。
DNA複製のエラーは、プルーフリーディングと鎖指向性ミスマッチ修復と呼ばれる2つのメカニズムによって修正される。
校正
プルーフリーディングとは、成長するDNA鎖から、誤った塩基対を修正する初期メカニズムのことで、DNAポリメラーゼによって行われる。
DNAポリメラーゼは、2つのステップでプルーフリーディングを行う。
最初の校正は、成長する鎖に新しいヌクレオチドが付加される直前に行われる。
DNAポリメラーゼに対する正しいヌクレオチドの親和力は、正しくないヌクレオチドの親和力の何倍も高い。
しかし、DNAポリメラーゼの作用でヌクレオチドが成長中の鎖に結合する前に、酵素は水素結合によって鋳型に結合した直後に立体構造を変化させる必要があります。
塩基対が正しくないヌクレオチドは、DNAポリメラーゼの構造変化の際に鋳型から外れやすくなる。
そこで、このステップでは、DNAポリメラーゼがヌクレオチドを成長中の鎖に永久に付加する前に「ダブルチェック」することができる。
図2に、DNAポリメラーゼのプルーフリーディング機構を示す。
図2：プルーフリーディング
2つ目の校正は、「外核酸分解性校正」と呼ばれる。
これは、まれにミスマッチしたヌクレオチドが成長鎖に取り込まれた直後に起こる。
DNAポリメラーゼは、ミスマッチのあるヌクレオチドの隣に第2のヌクレオチドを付加することができない。
DNAポリメラーゼの別の触媒部位は、3′-5′プルーフリーディング エキソヌクレアーゼとして知られ、成長している鎖からミスマッチのヌクレオチドを消化する。
Strand-Directed Mismatch Repair (鎖指向性ミスマッチ修復)
DNAポリメラーゼは、プルーフリーディング機構にもかかわらず、DNA複製の際に誤ったヌクレオチドを成長鎖に取り込んでしまうことがあります。
校正を逃れた複製エラーは、鎖直列ミスマッチ修復によって除去される。
このシステムは、ミスマッチした塩基対に起因するDNAらせんの歪みポテンシャルを検出する。
しかし、この修復システムは、ミスマッチを置き換える前に、既存の塩基から誤った塩基を特定する必要がある。
一般に、大腸菌は、新しく合成されたDNA鎖がすぐにDNAメチル化を受けない可能性があるため、DNAメチル化システムに依存して、二重らせん内の古いDNA鎖を認識するようにしている。
大腸菌では、GATCのA残基がメチル化されています。
大腸菌では、GATCのA残基がメチル化され、鎖指向性ミスマッチ修復システムの働きにより、DNA複製の忠実度はさらに102倍向上する。
真核生物、細菌、大腸菌のDNAミスマッチ修復経路を図3に示す。
図3：真核生物、細菌、大腸菌におけるDNAミスマッチ修復の経路
鎖指向性ミスマッチ修復では、3つの複合タンパク質が新しく合成されたDNA鎖の中を移動する。
最初のタンパク質はMutSと呼ばれ、DNA二重らせんのゆがみを検出して結合する。
MutLと呼ばれる2番目のタンパク質はMutSを検出して結合し、MutHと呼ばれる3番目のタンパク質はメチル化されていない鎖と新しく合成された鎖を区別して引きつける。
MutHは、メチル化されていないDNA鎖を、GATC配列のG残基のすぐ上流で切断し、メチル化されたDNA鎖を合成する。
ミスマッチの下流側の鎖は、エキソヌクレアーゼが分解を担当する。
しかし、このシステムでは、DNAポリメラーゼ1によって容易に再合成される10塩基以下の領域は分解されない。
真核生物のMutタンパク質は、大腸菌のものと相同です。
結論
突然変異とは、ゲノムのヌクレオチド配列の永久的な変化であり、DNA複製のエラーや外部の変異原の影響によって生じる可能性がある。
DNA複製のエラーは、プルーフリーディングと鎖指向性ミスマッチ修復という2つのメカニズムによって修正することができる。
プルーフリーディングは、DNA合成の際にDNAポリメラーゼ自身が行うものです。
鎖直列型ミスマッチ修復は、DNA複製直後にMutタンパク質によって行われる。
しかし、これらの修復機構は、ゲノムの完全性の維持に関与している。
