茨城大学理学部生物科学コース 中村麻子研究室(発がん制御研究室)

研究内容

はじめに―γ-H2AX :DNA損傷を可視化する技術―

私たちの遺伝情報を担うDNAには常に様々な損傷が発生しています。その中でも特にDNAの二本鎖切断(double-strand break: DSB)は、染色体異常、細胞の老化、さらには細胞のがん化に深くかかわる致死的な損傷です。そのため細胞は相同組み換えや非相同DNA末端再結合など複数の損傷修復経路を有しており、日々発生するDNA DSBを修復しています。そんなDNA DSB損傷修復過程において重要な因子の一つであるのが、ヒストンH2AXです。H2AXはヌクレオゾームを構成するコアヒストンの一つであるH2Aのバリアント(亜種)であり、DNA DSBが発生すると傷周辺のH2AXは直ちにリン酸化されます。このリン酸化されたH2AXをγ-H2AX(ガンマH2AX)と呼びますが、多くのDNA損傷修復タンパク質はγ-H2AX と相互作用することでDSB部位に局在し、DNA損傷修復を正確に行うことができます。つまり、DSB発生後H2AXが速やかにγ-H2AXに変化することによって、「DNA DSBがここにあるよ!」と損傷修復タンパク質に知らせているのです。
前述のようにγ-H2AXはDNA DSBが発生した周辺に形成されますので、放射線などによってDNA損傷が誘発された細胞をγ-H2AXに特異的な蛍光抗体を用いて免疫染色をすると、下の写真のように(図1)、DNA DSB部位をγ-H2AXフォーカスによって可視化することができます。現在、γ-H2AXの検出はDNA DSBを可視化する技術として多くの研究で使われています。
図1
私たちの研究室では、このγ-H2AXの検出を中心に、発がん過程の詳細や、老化とDNA損傷の関連性、さらにはH2AXタンパク質の詳細な機能解明を行っています。

放射線発がん過程における細胞組織応答に関する研究

放射線発がんは、放射線が人体に及ぼす生物学的影響の中でも、もっとも社会的関心が高い生物学的影響です。しかし、放射線被ばくによる発がん過程は、DNA損傷修復反応や細胞老化反応、さらには炎症反応といった様々な細胞・組織応答が複雑に活性化しながら進行していくことから、一面的な解析ではその発がんリスクを評価することは非常に困難です。放射線発がん過程を正しく理解し、適切な治療法を選択するためには、放射線照射後、細胞や組織や臓器、そして個体がどのように応答しているのかを様々な分子マーカーに着目し経時的に解析した基礎データが必要となります。私たちの研究室では、放射線照射後の細胞やマウスモデルを用いて、γ-H2AXレベル、細胞老化レベル、炎症反応レベル、さらいはエピジェネティクスな変化としてmicroRNAレベルについて、その変化を検討しています。この研究により、放射線被ばく後、何がどのように変化することで発がんに至るのか、さらには何をどうすれば発がんリスクを減らすことができるのか、などが明らかになると期待しています。

老化に伴うDNA損傷修復機能低下に関する研究

先に述べたように、細胞は発生したDNA DSBを修復するために複数のDNA損傷修復経路を有しています。しかし、最近の研究から、細胞が分裂を繰り返すことによる細胞老化や個体レベルの加齢によってDNA DSBの修復能力が低下するということが示唆されています。通常、放射線照射などによって細胞にDNA DSBが誘発されると、5分後にはDSB部位にγ-H2AXフォーカスが形成され損傷修復タンパク質(たとえば53BP1)との共局在が明確に確認できるのですが、細胞分裂を繰り返した老化細胞ではこのフォーカス形成が不完全で、共局在するまでに10分以上の時間を要します。このような老化に伴うDNA損傷修復機能の低下は、放射線治療や抗がん剤(DNA損傷を誘発することを目的とする薬剤が多い)への感受性が年齢によって異なる可能性を示唆しており、機能低下のメカニズムを知ることが適切な治療方針を決定するために重要だと考えられます。また、加齢に伴う様々な疾患が発症するメカニズムを明らかにすることにもつながります。私たちの研究室では継代数の異なるヒト初代培養細胞や、年齢の異なるヒトから得られた培養細胞などを用いて、放射線感受性、DNA DSB量の変化、さらいはエピジェネティクスな変化としてmicroRNAレベルについて解析し、老化に伴う損傷修復機能低下のメカニズム解明を目指しています。

H2AXのDNA損傷修復経路における役割に関する研究

DNA損傷が誘発されると損傷付近のヒストンH2AXが直ちにリン酸化されるという事実が1998年に初めて報告されて以来、γ-H2AXはDNA損傷修復経路の機能解明の研究に活用されてきました。しかしながら、H2AXタンパク質そのものがどのようにDNA損傷修復経路に関与しており、その欠損あるいは機能変化がDNA損傷修復機能にどう影響するのかについては詳細な解析がされていません。特に、DNA損傷発生後のH2AXリン酸化が時間的・空間的にどう制御されているかについては(たとえば、H2AXのリン酸化はどういった方向で広がるのか?広がりの端はどうやって決定されるのか?損傷修復後にγ-H2AXがH2AXにどうやって戻るのか?γ-H2AXがH2AXに戻るのは損傷の近傍からなのか?などなど)、いまだ明確なモデルはありません。通常、DNA損傷修復機構の解析は放射線によってDSBを誘導して行われることが多いのですが、この場合、DSBはランダムに発生するため損傷部位の特定は難しく、傷周辺の詳細なタンパク質の挙動について解析することは困難です。そこで、私たちの研究室では、ゲノムの特定場所に薬剤処理をすることによってDNA DSBを誘導できる高精度制御型DNA損傷誘発システムの開発を行うことで、DNA損傷修復機構におけるH2AXの分子メカニズム解明を目指しています。

γ-H2AX assayを実社会に応用するための研究

γ-H2AXという分子マーカーは単純に細胞のDNA損傷レベルを検出するだけではなく、個体全体の生物学的影響を評価することができる有益なバイオマーカーであると考えられます。たとえば、がん治療薬の多くはがん細胞にDNA損傷を誘発することでがん細胞を死滅させます。そのため、がん治療薬投与後、実際にがん細胞にDNA損傷が誘発されているか、また逆に、がん細胞以外に過度のDNA損傷が誘発されていないかをγ-H2AXのモニタリングによって検証することも可能です。私たちの研究室では、放射線によるDNA損傷を軽減する薬剤のスクリーニングなども行っていきたいと考えています。