プロテロメラーゼ

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テロメアは、異なる種の細胞における染色体の安定性と細胞の生存性を維持する上で重要な役割を果たします。テロメラーゼは、細胞内のテロメアの延長を担当する酵素です。これは、DNAを染色体の末端に追加してテロメアを延長および修復し、DNA複製によって失われたテロメアを補い、細胞分裂の回数を増加させるヌクレオプロテイン逆転写酵素です。テロメラーゼは、ゲノムの完全性、細胞の長期的な活動、および潜在的な増殖を維持する上で重要な役割を果たします。

しかし、正常なヒト細胞において、テロメラーゼの活性は厳密に調節されています。幹細胞や生殖細胞などのごく少数の細胞のみがテロメラーゼ活性を検出できます。細胞が分化し成熟すると、テロメラーゼの活性は徐々に消失します。さらに、テロメラーゼは腫瘍で再活性化され、悪性変換に関与する可能性があります。

植物病原体Agrobacterium tumefaciensを含む細菌やウイルスの中には、線形プラスミドプロファージ、Escherichia coli、etcなど、染色体の末端の問題に対する簡単で一般的な解決策があります。これらの生物は、共有結合で閉じたヘアピン末端を持つ線形染色体またはレプリコンを持っています。双方向DNA複製は内部起源から始まり、2つのコピーの接合部で反転したテロメアリピートを持つ円形二量体を生成します。次に、この円形複製中間体は、プロテロメラーゼと呼ばれる特殊な酵素によって、共有結合で閉じたDNAヘアピンを持つ2つの線形染色体に分解されます。

図1. プロテロメラーゼが複製されたヘアピンテロメアを解決する (Hideki, A.; et al. 2007)

プロテロメラーゼの構造

プロテロメラーゼTelKの二量体結晶構造がKlebsiella oxytocaファージfKO2から報告されました。TelKの各モノマーは、N末端ドメインと触媒ドメイン、これら2つの部分を接続するための長いαヘリックス（ヘリックスK）で構成されており、チロシン再結合酵素に似た構造を形成しています。各TelKモノマーは楕円形（110A˚x 35A˚x 60A˚）で、N末端ドメインにはマズルと呼ばれる挿入があり、対向するサブユニットに接触してDNAの経路にオフセットを強制します。TelKにのみ存在するC末端DNA結合ドメインであるスティラップは、ヘアピンテロメアを解決するために必要です。TelKによって形成された二量体はDNAに対して大きな接触面を提供し、この面はDNAヘリカル軸の中心に不連続性を持つ曲がった構成で44 bpのDNA基質を維持します。2つのサブユニット間の接触面積は大きく、サブユニット間の相互作用は主にN末端ドメイン間および触媒ドメイン間で発生します。動作中は、DNAは完全にタンパク質に包まれ、触媒プロセス中に二本鎖DNAを緊張した構成に保つための比較的固定された環境を提供します。

図2. A. 2つのTelKサブユニットをオレンジとシアンで色付けした二重非結晶対称軸に対して垂直な視点   B. 二重軸に沿った上面図 (Hideki, A.; et al. 2007)

応用

いくつかのプロテロメラーゼは、in vivoでテロメアの問題を解決する効果がないことが確認されていますが、例えば、単鎖アニーリングやATP依存性ヘリカーゼ活性を持っています。したがって、この重要な酵素クラスの詳細な研究は、閉じた線形染色体複製の過程における単鎖アニーリングおよびDNA解開活性の重要性を明らかにするのに役立ちます。

プロテロメラーゼは生物にとって不可欠であるだけでなく、バイオテクノロジー産業にとっても独自の重要性を持っています。すでに市場には、非常に繰り返しの多い配列を持つ改良されたクローニングベクターとしてプロテロメラーゼによって生成されたDNA構造物があり、より安定した線形構造を持ち、複製中の遺伝子損失に対しても影響を受けにくいです。プロテロメラーゼは、エンジニアリングされたE. coli細胞での発現にも使用され、細菌配列を含まない線形真核ベクターを生成します。さらに、プロテロメラーゼは、ある企業によって構築された増幅プラットフォームの重要な部分です。このプラットフォームは、治療および産業用途のために大量のDNAを生成するために細胞フリーのプロセスを使用します。抗生物質耐性遺伝子が排除されることで、安全性が向上しました。線形で最小限のベクターは、DNAワクチンや非ウイルス遺伝子治療ベクターとして使用される可能性があります。現在、両方の方法は多くの注目を集めており、バイオテクノロジー市場でも多くの投資を受けています。