ChIP-CryoEM法によるUV-DDBタンパク質の可視化の概要

東京大学定量生命科学研究所の松本翔太助教、胡桃坂仁志教授ら、神戸大学バイオシグナル総合研究センターの菅澤薫教授、大阪大学大学院基礎工学研究科の岩井成憲名誉教授、山元淳平准教授の研究グループは、細胞内でゲノムDNA上の紫外線損傷を修復中のUV-DDBタンパク質複合体の立体構造を可視化することに成功しました。

本研究では、胡桃坂教授らが開発した細胞内タンパク質を可視化する独自技術「ChIP-CryoEM」を応用し、DNA修復タンパク質として知られるUV-DDBタンパク質が紫外線損傷に結合した構造を初めて明らかにしました。これまでの先行研究と異なり、細胞内からUV-DDBタンパク質を直接単離して構造を捉えた点に新規性があります。本成果は、色素性乾皮症をはじめDNA修復異常に起因する難治性遺伝病の理解と治療法開発につながることが期待されます。

これまでUV-DDBタンパク質は、色素性乾皮症の原因因子であり、ゲノムDNAなどの紫外線損傷の修復に重要な役割を担うことが知られていました。ゲノムDNAは細胞内でヒストンに巻き付いてクロマチン構造を形成しており、その複雑な構造環境下で紫外線損傷をどのように修復するのかについては、多くの点が未解明のままでした（図1）。

図1. 細胞内においてゲノムDNAが形成するクロマチン構造

本研究チームは、細胞内でのDNA修復機構の解明に挑み、クロマチン免疫沈降法（ChIP: Chromatin immunoprecipitation）とクライオ電子顕微鏡解析（Cryo-EM: Cryo-electron microscopy）を組み合わせた独自技術「ChIP-CryoEM」をUV-DDBタンパク質に応用しました。その結果、ヌクレオソーム上の紫外線損傷に結合したUV-DDB複合体を直接単離し、その立体構造の解明に初めて成功しました。これにより、UV-DDBタンパク質がヌクレオソーム上という構造的に複雑な環境下においても、ヒストンによる立体阻害をほとんど受けることなく、ヌクレオソーム上のDNA損傷に対して、直接認識して結合することが明らかとなりました（図2）。

図2. ChIP-CryoEM法により可視化した細胞内ヌクレオソーム上の紫外線損傷に結合したUV-DDBタンパク質の立体構造

さらに、UV-DDBタンパク質が紫外線損傷に結合する様子を高精細に観察し、代表的な紫外線損傷であるシクロブタン型ピリミジン二量体（CPD）に対する結合構造の詳細を初めて明らかにしました。UV-DDBタンパク質の二箇所のアミノ酸残基が、CPD損傷に特異的に相互作用することで、ヌクレオソーム上のCPD損傷を直接認識して結合することが見出されました。これにより、細胞内で紫外線損傷がどのように認識され、修復されるのかという分子基盤が解明されました（図3）。

図3. 紫外線損傷CPDに結合したUV-DDBの詳細な立体構造

今回の成果は、紫外線損傷にとどまらず、電離放射線や有害物質によるDNA損傷修復研究への応用可能性も持ち、ゲノムDNA全体の修復機構の理解に大きく寄与することが期待されます。DNA修復機構の異常は色素性乾皮症をはじめとする難治性遺伝病の主要な発症要因であり、本研究成果はその分子基盤の解明と治療法開発に大きく貢献する可能性があります。これらを通じて、本成果は難病克服に向けた重要かつ画期的な一歩となることが望まれます。