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細胞は DNA 損傷から身を守るために何かをしていますか?

<ブロック引用>

すべての細胞は、DNA の突然変異と損傷に対して、校正、ミスマッチ修復、切除修復、さらにはアポトーシスなど、さまざまな予防および修正手段を採用しています。

私たちの幸福と生存への脅威について考えるとき、人間が最初に考えるのは、戦争、飢饉、気候変動、核戦争、貧困、犯罪、またはその他の現代生活の恐ろしい現実です。しかし、細胞レベルでは、DNA の損傷または変異という、何よりも優先される明確かつ現在の危険が 1 つあります。

DNA:生命の構成要素 (写真提供:Billion Photos/Shutterstock)

細胞にとって、DNA の変異ほど悪いことはありません。なぜなら、誤ったタンパク質が生成される可能性があり、その一部が癌などの深刻な病気につながる可能性があるからです。 DNA への損傷は外部ソースからも生じる可能性があるため、細胞はその脅威に対しても防御できなければなりません。 DNA が渡される前に通過しなければならないさまざまな「チェックポイント」があります。多くの突然変異は危険ではなく、中には有益なものさえありますが、細胞は依然として DNA の完全性について非常に警戒しており、そのようなエラーを防ぐために多大な努力を払っています。この記事では、細胞が最も貴重な所有物である遺伝物質を防御する方法と手段のいくつかを探ります!

DNA複製

遺伝物質で発生する可能性のある潜在的なエラーに入る前に、複製プロセス自体の基本的な理解が必要です.細胞の核内での DNA 複製中に、遺伝物質が複製され、この物質が娘細胞に正確に伝えられるようになります。基本的に、両面 DNA 分子がコピーされて、2 番目の同一の DNA 分子が生成されます。

このプロセスは、DNA 分子を半分に分割し、複製のために別々の半分をプライミングし、新しい DNA 分子を組み立てるという 3 つの主要なステップで発生します。ご存知のように、DNA は二重らせんの形をしており、これがほどけて DNA 分子を本質的に解凍します。さまざまな酵素が個々の半分に沿って移動し、複製のためにヌクレオチドを準備します.

DNA ポリメラーゼは、DNA 分子の新しい側を組み立てる重要な酵素であり、適切な窒素含有塩基対を核からの遊離ヌクレオチドと一致させます。相補的な塩基対の概念により、アデニンとチロシン (A &T) の塩基対が一致し、シトシンとグアニン (C &G) ヌクレオチドも鎖に沿って対になります。ポリメラーゼは、解凍された鎖を完全に取り囲み、新しいパートナー鎖を組み立てて結合し、新しい二本鎖 DNA 分子を生成します。人間では、このプロセスは非常に迅速に行われ、1 秒あたり約 50 のヌクレオチドのペアリングが行われます!

DNA 校正

DNA ポリメラーゼは、DNA 複製中にヌクレオチドを組み立てる酵素であるだけでなく、自身の働きをチェックする役割も担っています。たとえば、ポリメラーゼが塩基の位置が正しくないことを検出した場合 (たとえば、シトシンをグアニンではなくアデニンにペアリングするなど)、エラーをただちに除去してから、鎖を読み進めることができます。エラーに対するこの迅速な対応は DNA 校正と呼ばれ、細胞が複製エラー、突然変異、およびそのようなエラーのさまざまな結果から防御するための最初のステップです。

DNA ミスマッチ修復

残念ながら、ライターなら誰でも知っていることですが、校正が完璧であることはめったにないため、DNA には依然として誤りがあり、複製が完了した後に修正する必要があります。これは、DNAミスマッチ修復が引き継がれるときです。これは、DNA 鎖が完成して封印されているため、校正よりも少し複雑なプロセスです。

まず、タンパク質と酵素のチームが、ミスが発生したストランドの領域に取り組みます.タンパク質複合体がミスペア塩基に結合し、酵素がエラーの両側のヌクレオチドの小さな部分を切り取ります。新たに複製された DNA 鎖では、「新しい側」にメチル基がなく、タンパク質複合体と酵素が鎖のどちら側を修復するかを知ることができます。

次に、DNAポリメラーゼ(校正ステップから)がDNA鎖に再結合し、正しい窒素含有塩基対を鎖に配置することで間違いを「修正」します.これは基本的な校正よりも少し時間がかかりますが、すべて相対的なものであり、この編集プロセスは一瞬で完了します!

一般的な DNA 修復

上記の 2 つの方法は、レプリケーション プロセスに関するエラーと修正に特に関連しています。複製プロセス中に多くの遺伝子コーディングエラーが発生しますが、DNA の突然変異や損傷の原因はそれだけではありません!私たちの遺伝物質は、放射線、化学物質、その他の外部要因の結果として損傷を受けることもあります.したがって、細胞の通常の生活の中で損傷が発生した場合、DNA の修復プロセスも必要です。

この修理の最も単純なバージョンは、単純に ダメージを元に戻す ことです。 これは通常、化学物質への暴露に対応するために必要です。特定の化学物質が細胞に入ると、それらの分子または基が DNA のヌクレオチド塩基に結合し、複製中の対合の仕方が変化します。このミスペアリングは突然変異につながる可能性がありますが、私たちの細胞には、そのような追加の不要な分子を除去し、複製中に塩基が正常に動作するようにするメカニズムがあります.

基部切除修復 迅速かつ簡単な置換プロセスであり、1 つのミスペア塩基 (化学的相互作用によって、または校正とミスマッチ修復プロセスの両方をすり抜けることによって変化した塩基) を除去して置換する必要があります。酵素はこの間違ったヌクレオチド塩基を検出し、鎖に結合して間違った塩基を取り除きます。ポリメラーゼが適切な塩基でギャップを埋めるようになり、リガーゼと呼ばれる酵素が DNA バックボーンを封印します。

ヌクレオチド除去修復 DNA鎖のこれらの「エラー」は、多くの場合、複数の塩基対、または遺伝コードの短いチャンクを含むため、もう少し複雑です.前述のように、特定の化学基が DNA に結合すると、鎖の挙動と複製精度が変化する可能性があります。放射線による損傷は、DNA の一部がそれ自体と相互作用し、突然変異を引き起こす可能性があります。 DNA のこれらの損傷部分は、DNA ヘリカーゼによって処理されます。DNA ヘリカーゼは、DNA の損傷部分の周りで鎖を開き、鎖にしわを寄せます。その部分全体が取り除かれ、DNA ポリメラーゼが正しい、損傷を受けていない塩基対を編成して配置し、リガーゼが修復作業が行われた場所の隙間を再び塞ぎます。

最後に、DNA 鎖全体が切断された場合、または鎖の両側が損傷を受けて交換が必要になった場合は、二重鎖切断修復 登場します。この修復には 2 つの種類があり、1 つは壊れた半分を元に戻すだけで、余分なヌクレオチドが追加されます。これらは「接着剤」のように機能し、いくつかの突然変異を引き起こす可能性がありますが、何百もの遺伝子と染色体の大きなセクションが永久に分離されて失われるのを許すよりは良い解決策です.よりデリケートな二本鎖法では、損傷していない染色体の同族体からの組換えが行われます。 2 つのホモログが細胞内で結合し、損傷した部分が損傷していないパートナーから直接コピーされて再構成されます。通常、この形式の修復では追加の変異は発生しません。

アポトーシス

セルで発生する可能性があるエラーを修正するための、より抜本的なアプローチがもう 1 つあります。変異の修復が難しすぎると考えられる場合、または細胞の健康に直ちに有害である場合、細胞に自殺するように指示するタンパク質が生成される可能性があります.この形態の自己破壊は、アポトーシスと呼ばれます。 これは、複製と細胞分裂によって将来の細胞に突然変異を伝えたくない細胞の最後の手段と考えられています.

P53 突然変異

具体的には、p53 と呼ばれるタンパク質があります。 これは深刻な遺伝子変異の場合に生成され、細胞が自らの生命を終わらせ、複製プロセスを停止するよう促し、変異が受け継がれるリスクを大幅に低下させます。細胞 1 個のコストは、急速に増殖する癌性腫瘍が生物に与えるダメージよりもはるかに少ない。これらのタンパク質はまた、細胞分裂を遅くし、細胞が間違いを修正したり、アポトーシスのステップを経たりする時間を増やします.

悪いニュース

DNA損傷から身を守るメカニズムは非常に多くあるにもかかわらず、これらの保護メカニズムのいくつかは突然変異に対して脆弱です.細胞内で起こることはすべて、DNA によってプログラムされていることを忘れないでください。言い換えれば、DNA ポリメラーゼの産生、p53 タンパク質、またはグリコラーゼの挙動を制御する DNA のセクションに変異がある場合、これらの防御策のいくつかはそれほど効果的ではない可能性があります。これにより、同じ細胞内で複数の変異が発生し、それらが互いに複合し始める可能性があります。これは、がんの増殖が始まる時期です。単一の突然変異が癌細胞の増殖につながることはめったにありません。このようなエラーに対処するために、複製プロセスと防御手段の両方に影響を与える複数の突然変異が必要です。

最後の言葉

核内での生活は、細部への絶え間ない注意を必要とする絶え間ない戦いです。私たちの生活の中で毎分何十億もの異なる細胞で何千もの塩基対がコピーされているため、間違いは必ず起こります.幸運なことに、信じられないほど詳細な生命の方向性 (DNA) は、細胞を間違いや突然変異から守るための特定の予防措置も設計しました。これらのシステムは常に完璧というわけではありませんが、私たちの長期的な生存と健康において重要な役割を果たしています!


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