テーマ 28ある種の変異は自然に修復されます

スタン・ルーパトが、紫外線ダメージと光活性化DNA修復システムと、リチャード・セットローのチミン二量体修復の研究について説明します。

はい！私は、スタン・ルーパトです。1950年代に、私は物理に飽きて、分子生物学に興味を持つようになりました。私は、ジョンズ・ホプキンス大学でソロモン・グッドギャルと一緒に研究を始めました。 グッドギャルは、紫外線による仮死状態の細菌が奇妙に回復することを明らかにしたアルバート・ケルナーの仕事について聞いたことがありました。 ケルナーは、可視光を照射したときだけ、細胞が回復することを見いだしました。 培養サンプルの場所を移し、培養プレートを暗闇処理すると、光に照射した細胞だけが回復し増殖することを示しました。 [暗][明] 当時は、皆、光が紫外線照射によって作り出される “細胞の毒物”を壊すと考えていました。グッドギャルと私は、紫外線によって損傷を受けたDNAの修復を光が助けるために細胞が回復するものと考えました。 私たちは、自分たちのアイデアを、インフルエンザ菌（Hemophilus influenza）の“形質転換”を計測することでテストしました。形質転換は、細胞外のDNAを捕らえ、細胞壁を通して自分自身のゲノムの中に組込む時に起こります。 [細菌細胞] 右の細胞は、まさに、黄色の円で示した抗生物質耐性の遺伝子を含むDNA断片で形質転換されました。形質転換細胞は、抗生物質のストレプトマイシンに晒されたときに、この新しい遺伝子を発現して、生き残ります。 抗生物質耐性の遺伝子を用いると、私たちは、どの細胞が形質転換したかを、抗生物質のストレプトマイシンの入った培養プレートの上に細胞が育つことにより、断定することができます。 [+ストレプトマイシン][-ストレプトマイシン] 形質転換細胞は、ストレプトマイシン耐性になり、プレート上にコロニーを形成します：形質転換しなかった細胞は死滅します。 私たちは、この方法を紫外線がDNAに損傷を与えることを明らかにするために使用しました。私たちは、インフルエンザ菌のストレプトマイシン耐性株からDNAを単離して、一方のサンプルに紫外線を照射し、もう一方をコントロールとして使用しました。 インフルエンザ菌の培養液にDNAを加えた後、形質転換体を見るためにストレプトマイシンプレートの上で細胞を培養しました。 [紫外線][コントロール] [+ストレプトマイシン][[+ストレプトマイシン] コントロールの培養液からの細胞は、機能するストレプトマイシン遺伝子を受け取って、プレートに上に多くのコロニーを形成しました。しかし、紫外線の培養液からは、ほとんど細胞が育たなかったことから、私たちは、紫外線がストレプトマイシン耐性遺伝子を損傷したのに違いないと考えました。 しかし、私たちは、他の2つの可能性を排除しなければなりませんでした。 紫外線培養液で増殖が見られないのは、溶液の中の、紫外線によって変化させられた、形質転換を阻害する何かが原因であったかもしれません。 [紫外線照射した溶液] [未露光のDNA] しかし、紫外線照射した溶液に加えた正常なDNAは、形質転換活性を全く損なわなかったので、私たちはこの可能性を受け入れられないことが分かりました。 [+ストレプトマイシン][+ストレプトマイシン] [紫外線照射した溶液+未露光DNA][未露光のDNA] 他の可能性は、紫外線照射したDNAは、照射していないDNAの様にはインフルエンザ菌のゲノムに組込まれなかったというものです。 これは、私たちに同じ結果を与えてくれたとしても、私たちの仮説とは異なる理由のためでしょう。DNA損傷による死ではなく、細胞が、ストレプトマイシン耐性遺伝子を受け取れないために死んだのでしょう。 [紫外線損傷][コントロール] [+ストレプトマイシン][+ストレプトマイシン] しかし、私たちは、紫外線照射されたDNAも、正常なDNAのようにインフルエンザ菌のゲノムの中に組み込まれていることを明らかにしました。 私たちは、なぜかは分かりませんが、紫外線はDNAとストレプトマイシン耐性遺伝子を損傷させたという結論を持ち続けていました。 [バーン！][ポカン!] [紫外線照射したDNA] [未露光のDNA] [+ストレプトマイシン][+ストレプトマイシン] そして私たちは、光が損傷したDNAの修復に役立つという仮説をテストするための実験を考案しました。私たちは、紫外線損傷を与えたDNAと大腸菌の抽出液を混ぜて、ひとつの試験管に光を当て、ひとつは暗闇に置きました。 [大腸菌抽出液] 私たちは、光が大腸菌の中の酵素を活性化し、活性化された酵素が、DNA損傷を修復するという仮説を立てました。 数分後に、大腸菌の抽出液からインフルエンザ菌DNAを取り出し、それをストレプトマイシン感受性のインフルエンザ菌に加えました。 [暗][明] [インフルエンザ菌] もし修復されれば、DNAは細胞をストレプトマイシン耐性細胞に形質転換できます。 [暗][明] [+ストレプトマイシン][[+ストレプトマイシン] 私たちは、光を照射した培養液の中に形質転換体を見ることができました。このことは、光によって活性化される大腸菌の酵素が紫外線損傷を受けたDNAを修復することを示しています。 [大腸菌抽出液] 私たちは、DNA修復系を発見したのでした！私たちにとって不運だったのは、修復を行う酵素が、私たちが単離できないほど少ししか存在しなかったことです。それは、最終的に27年後に単離されました。 追加の実験によって、この光回復酵素はチミン二量体と呼ばれる特殊なDNA損傷を修復するということが分かりました。この二量体は、DNA複製を止めてしまうために、DNAに損傷を与えます。 [光回復酵素、チミン二量体の医者] 二量体は、2つの隣り合うチミンが、相補的な塩基の代わりに、お互いに結合して形成されます。紫外線は二量体形成の原因となります。 光回復酵素はその二量体にくっついて、チミン-チミン結合を光のエネルギーを用いて壊します。 全ての生物が二量体を修復するために光回復酵素を使うわけではありません。リチャード・セットローとビル・キャリアーは、鎖の一部分を除去することにより二量体を取り除く、除去修復と呼ばれる系を発見しました。その断片の大きさは、生物によります。 断片が取り除かれた後に、DNA合成酵素がその隙間を埋めます。 DNA複製もまた、DNAにエラーを挿入することができます。これらのエラーは、通常、DNA合成酵素の校正能力によって捕らえられます。もし、間違った塩基が取り込まれたら、DNA合成酵素は、複製を続けずに止まり、その塩基を除去します。 二量体に加えて、他の損傷タイプと同じように、校正役が気づかないうちに通り過ぎたエラーを修復するための、他のいくつかの修復系が存在します。DNA修復は、生物が安定して生きるために、欠くことのできないものです。