プロテロメラーゼ

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テロメアは、種の異なる細胞において染色体の安定性および細胞生存性を維持する上で重要な役割を担う。テロメラーゼは、細胞内でテロメアを伸長させる酵素である。これはヌクレオタンパク質性の逆転写酵素であり、染色体末端にDNAを付加することで、DNA複製に伴い失われるテロメアを延長・修復し、細胞分裂回数を増加させる。テロメラーゼは、ゲノムの完全性、細胞の長期的な機能維持および増殖能の維持に重要である。

しかし、正常ヒト細胞ではテロメラーゼ活性は厳密に制御されている。幹細胞や生殖細胞など一部の細胞でのみテロメラーゼ活性が検出される。細胞が分化・成熟すると、テロメラーゼ活性は徐々に消失する。さらに、腫瘍ではテロメラーゼが再活性化され、悪性転換に関与する可能性がある。

植物病原菌であるAgrobacterium tumefaciens、線状プラスミド・プロファージ、Escherichia coliなどの細菌およびウイルスでは、染色体末端問題に対する簡便かつ一般的な解決策が存在する。これらの生物は、共有結合で閉じたヘアピン末端を有する線状染色体またはレプリコンを持つ。双方向性DNA複製は内部の複製起点から開始し、2つのコピーの接合部に逆向きのテロメア反復配列を有する環状ダイマーを生成する。次いで、この環状複製中間体は、プロテロメラーゼと呼ばれる特殊酵素により、共有結合で閉じたDNAヘアピンを末端に持つ2本の線状染色体へと分解される。

図1. プロテロメラーゼによる複製後ヘアピンテロメアの解決（Hideki, A.; ほか 2007）

プロテロメラーゼの構造

Klebsiella oxytocaファージfKO2由来プロテロメラーゼTelKの二量体結晶構造が報告されている。TelKの各モノマーはN末端ドメインと触媒ドメインから構成され、両者を連結するリンカーとして長いαヘリックス（ヘリックスK）を有し、チロシン組換え酵素に類似した構造を形成する。各TelKモノマーは楕円形（110Å×35Å×60Å）であり、N末端ドメインにはmuzzleと呼ばれる挿入部位が存在し、対向サブユニットと接触して二量体界面を横切るDNA経路にオフセットを生じさせる。TelKにのみ存在するstirrupと呼ばれるC末端DNA結合ドメインは、ヘアピンテロメアの解決に必須である。TelKが形成する二量体はDNAに対して広い接触面を提供し、この面が44 bpのDNA基質を湾曲したコンフォメーションに保持し、DNAらせん軸中央に不連続性を生じさせる。2つのサブユニット間の接触面積は大きく、相互作用は主としてN末端ドメイン間および触媒ドメイン間で生じる。反応時にはDNAがタンパク質により完全に包埋され、触媒過程において比較的固定された環境が提供されることで、二本鎖DNAが歪んだコンフォメーションに維持される。

図2. A. オレンジおよびシアンで示した2つのTelKサブユニットを関連付ける、非結晶学的2回対称軸に垂直な視点   B. 2回対称軸に沿った上面図（Hideki, A.; ほか 2007）

応用

一部のプロテロメラーゼは、in vivoでテロメア問題を解決する作用を持たない一方で、例えば一本鎖アニーリング活性やATP依存性ヘリカーゼ活性を有することが同定されている。したがって、この重要な酵素群を詳細に研究することは、閉鎖型線状染色体複製の過程における一本鎖アニーリングおよびDNA巻き戻し活性の重要性を明確化する上で有用である。

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おいても独自の意義を有する。すでにプロテロメラーゼにより作製されたDNAコンストラクトが、高反復配列を有する改良型クローニングベクターとして市場に存在し、より安定な線状構造を持ち、複製時の遺伝子欠失が生じにくい。プロテロメラーゼはまた、改変E. coli細胞での発現に用いられ、細菌配列を含まない線状真核生物ベクターの作製にも利用されている。さらに、プロテロメラーゼは、ある企業が構築した増幅プラットフォームの重要な構成要素でもある。当該プラットフォームは無細胞プロセスを用いて、治療用途および産業用途向けに大量のDNAを製造する。抗生物質耐性遺伝子が除去されることで、安全性が向上している。線状かつミニマルなベクターは、DNAワクチンまたは非ウイルス性遺伝子治療ベクターとして使用され得る。現在、いずれの手法も大きな注目を集めており、バイオテクノロジー市場において多額の投資も受けている。