理化学研究所、ガン化と関連した異常なＤＮＡ組換えを抑えるタンパク質のＳＵＭＯ化を発見
がん化の一大要因“ＤＮＡ異常構造の蓄積”を抑制する仕組み発見
－ 新たながん治療ターゲットとしてタンパク質の「ＳＵＭＯ化」の重要性高まる －
◇ポイント◇
●がん化と関連する異常な染色体組換えを抑える「ＳＵＭＯ修飾経路」を酵母系で発見
●ＤＮＡ複製傷害時にＳＵＭＯ化でＤＮＡ異常構造の蓄積を抑制
●がん化症状を示す遺伝病（ブルーム症候群）の原因遺伝子もＤＮＡ異常構造を抑制
独立行政法人理化学研究所（野依良治理事長）とイタリアがん分子生物研究基金は、国立大学法人東北大学と共同で、タンパク質の「ＳＵＭＯ（ｓｍａｌｌ ｕｂｉｑｕｉｔｉｎ－ｌｉｋｅ ｍｏｄｉｆｉｅｒ）化」が、がん化と関連する異常なＤＮＡ組換えを抑える働きをすることを発見しました。本研究は、イタリアがん分子生物研究基金のＢｒａｎｚｅｉ Ｄａｎａ（ブランゼイ・ダーナ）博士（元理研中央研究所（茅幸二所長）太田遺伝システム制御研究室 基礎科学特別研究員）、Ｍａｒｃｏ Ｆｏｉａｎｉ（マルコ・フォイアーニ）教授、および東北大学大学院薬学研究科（竹内英夫研究科長）の榎本武美教授、関政幸助教授らと、太田邦史准主任研究員（理研中央研究所 太田遺伝システム制御研究室）による国際共同研究の成果です。
タンパク質はリン酸化などの化学修飾によって機能が制御されますが、その中でユビキチン※１やその類縁因子ＳＵＭＯ等のペプチド性小分子による修飾が最近重要視されています。ユビキチン化はタンパク質分解を促進していますが、その反応と拮抗するＳＵＭＯ化の生物機能については、まだ良く判っていません。一方、がん細胞では染色体転座※２等の異常な組換えが頻発することが知られています。一例としては、ＤＮＡ組換えの制御に関わる酵素を遺伝的に欠損するブルーム症候群※３の患者で、高頻度の異常な染色体組換えと共に、がんの頻発などの症状が見られます。
本研究では、出芽酵母をモデルに、ＳＵＭＯ結合酵素“Ｕｂｃ９”と、ＳＭＣタンパク質※４の一員Ｓｍｃ５－６に結合する因子として知られるＳＵＭＯ連結酵素“Ｍｍｓ２１”によるＳＵＭＯ化が、ＤＮＡ傷害を持つ複製フォーク※５において、染色体異常や遺伝子変異につながる異常なＤＮＡ組換え中間体（Ｘ型構造）の蓄積を抑える働きがあることを明らかにしました。この経路はこれまで知られていたＤＮＡ複製時の細胞周期監視（複製チェックポイント）経路とは別立てのものであり、またブルーム症候群の原因遺伝子産物の酵母相同タンパク質”Ｓｇｓ１”が同様な経路と協力して異常なＤＮＡ組換えの抑制を行っていることも示唆されました。このためこの成果は、がん化のメカニズム解明に重要な示唆を与えると共に、がん治療のための新たな創薬標的としてＳＵＭＯ修飾関連酵素やその標的因子が重要であることを示しました。
本研究成果は、米国の科学雑誌『Ｃｅｌｌ 』（１１月３日号）に掲載されます。
１．背 景
多くのタンパク質はリン酸化やアセチル化、メチル化などの化学修飾を受け、性質を変えるという機能の制御が行われます。近年、これらの化学修飾とは異なる、小分子ペプチドによるタンパク質の修飾が疾病との関わりから注目されています。たとえば、タンパク質のユビキチン化反応が異常になると、パーキンソン病などの疾病が引き起こされると考えられています。今回研究対象としたＳＵＭＯ（ｓｍａｌｌ ｕｂｉｑｕｉｔｉｎ－ｌｉｋｅ ｍｏｄｉｆｉｅｒの略）は、ユビキチンに類似した別の小さなタンパク質で、ユビキチンと同様にタンパク質分子にイソペプチド結合により共有結合します（図１）。このＳＵＭＯ化されたタンパク質は、立体構造の変化や核内への移行を通じ、遺伝子発現の制御や染色体構造の変化に関わるとされています。また、多くの悪性がんで異常が見られるがん抑制遺伝子であるｐ５３もＳＵＭＯ化を受けるタンパク質です。ｐ５３はゲノムＤＮＡの損傷に際して、細胞周期を調節したり、細胞死を誘導したりしてゲノムの異常化を防ぐ機能があると考えられています。しかしながら、ＳＵＭＯ化の生理的機能については、依然として未知の点が多いのが現状です。
また、がん細胞の特質の一つとして、高頻度にゲノムＤＮＡが異常をきたし、染色体の転座等で不安定性が増大することが知られています（図２）。人の遺伝病であるブルーム症候群では、このような染色体不安定性と共に、悪性腫瘍やがんの発生頻度が高くなることが知られています。これらの染色体不安定性は、ＤＮＡ複製フォークに損傷が生じた際に出現すると考えられている特殊なＤＮＡ構造が、異常なＤＮＡ組換えを誘発するためと考えられています。ブルーム症候群やウェルナー症候群※６の原因遺伝子は、このような特殊なＤＮＡ構造の解消に関与することが推測されていますが、その過程がどのように制御されているかについては、良くわかっていませんでした。
研究では、ＤＮＡの損傷存在下におけるＤＮＡ複製の際に、ＳＵＭＯ化がどのような役割を果たすかについて調べました。
２．研究の手法
ＳＵＭＯ化に異常のある種々の出芽酵母変異体（ｕｂｃ９， ｓｉｚ１， ｓｉｚ２， ｍｍｓ２１など）や、相同組換え酵素の欠損株（ｒａｄ５１）、およびブルーム症候群原因遺伝子の酵母ホモログの欠損株（ｓｇｓ１）などを用い、ＤＮＡアルキル化剤メチルメタンスルホン酸（ＭＭＳ）処理を行ってＤＮＡを傷つけた後、ＤＮＡ複製起点周辺のＤＮＡ構造を二次元電気泳動で詳しく解析しました。特に、組換えを誘発する特殊なＤＮＡ中間体構造（Ｘ型構造）の形成に着目しました。
３．研究成果
解析の結果、ｕｂｃ９（Ｅ２ ＳＵＭＯ結合酵素※７）変異株では、ＭＭＳ存在下（ＤＮＡ損傷時）に、Ｒａｄ５１（相同組換え酵素）に依存してＸ型ＤＮＡ中間構造が染色体上に顕著に蓄積することを見出しました（図３）。このＸ構造の蓄積は、ブルーム症候群原因遺伝子の酵母ホモログＳＧＳ１の変異株でも同様に見出されましたが、ＳＵＭＯ化を受けることが知られているＰＣＮＡというタンパク質のＳＵＭＯ化が特異的に欠損する株では出現しませんでした。また、Ｅ３、ＳＵＭＯ連結酵素であるｓｉｚ１、ｓｉｚ２、ｍｍｓ２１の変異体を用いてＸ型構造の蓄積の有無を調べたところ、ｍｍｓ２１変異株のみでＸ型構造が強く現れることがわかりました（図４）。Ｍｍｓ２１タンパク質はＳＭＣ（Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ Ｍａｉｎｔｅｎａｎｃｅ ｏｆ Ｃｈｒｏｍｏｓｏｍｅｓ）複合体という染色体タンパク質の一種Ｓｍｃ５－６に付随するＳＵＭＯ連結酵素で、複合体としてＤＮＡ修復やＤＮＡ組換え抑制のプロセスに関わっていることが知られていました。しかし、今回傷害を持つＤＮＡが合成される際にｕｂｃ９と変異株と同じ経路でＸ型構造の蓄積を抑制し、異常なＤＮＡ組換えを防ぐ働きがあることがわかりました。なお、この調節経路はＤＮＡ複製チェックポイントとは別の新しい経路であると考えられます（図５）。
４．今後の展開
がん細胞で異常なＤＮＡ組換えが続く原因として、ＳＵＭＯ化によるＸ型ＤＮＡ中間体の蓄積阻止が破綻している可能性が考えられました。このことから、がん細胞で特異的に見られるＳＵＭＯ化を分析することで、がんの診断や新たな治療法が将来開発される可能性があります。また、抗がん剤として知られるシスプラチンなどはＤＮＡに損傷を与えることで、がん細胞の増殖を抑制したり、細胞死を誘導したりしますが、一方でもしＳＵＭＯ化が破綻している腫瘍などにこの治療を行うと、効果がなかったり、さらにがんが悪性化したりする可能性もあります。このようなケースについては、事前に患者のＳＵＭＯ化レベルを調べることで、より適切な「個の医療」を行うことができることが期待されます。
Ｂｒａｎｚｅｉ Ｄａｎａ博士はルーマニア出身で、東北大学大学院薬学研究科博士課程を修了後、理研中央研究所 太田遺伝システム制御研究室に基礎科学特別研究員として所属して本研究の一部を実施した後、イタリアがん分子生物基金 Ｆｏｉａｎｉ研究室の研究員として本研究を完成させました。現在同博士は、独立研究者としての道を歩んでいます。なお、本研究は主として文部科学省・科学研究費補助金・特定領域研究の助成のもとに実施されました。