TOPO I

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DNAトポイソメラーゼは核内に存在する酵素群であり、DNA鎖の切断および再結合を触媒することでDNAのトポロジー状態を制御する。トポイソメラーゼはスーパーコイル構造テンプレートの調節に関与する。哺乳類では主に2種類のトポイソメラーゼが存在する。DNAトポイソメラーゼIは、短い一本鎖切断—結合サイクルを形成することにより、DNA複製におけるトポロジー状態の変化を触媒する。これに対しトポイソメラーゼIIは、二本鎖の酵素架橋を瞬間的に切断し、その後開裂・再閉鎖させることでDNAのトポロジー状態を変化させる。哺乳類トポイソメラーゼIIは、αII型およびβII型に分類される。トポイソメラーゼ毒素の抗腫瘍活性は、酵素—DNA切断可能複合体（cleavable complex）の安定性と関連する。これらの薬剤は、酵素—DNA切断可能複合体を安定化することにより、酵素を実質的に細胞毒性因子へと転換する。

図1. DNAトポイソメラーゼ。

序論

DNAトポイソメラーゼが触媒し得る反応は多岐にわたるが、ここでは概説にとどめる。DNAトポイソメラーゼIは二本鎖DNAよりも一本鎖DNAに対してはるかに高い親和性を示し、これが負のスーパーコイルDNAを認識する分子基盤となっている。負のスーパーコイルDNAにはしばしば一定程度の一本鎖領域が存在するためである。負のスーパーコイルが強いほど、DNAトポイソメラーゼIの作用は速くなる。現在、生体内の負のスーパーコイルは約5%で安定していることが知られており、低すぎても高すぎても機能しない。生体はトポイソメラーゼIとIIの拮抗作用により、負のスーパーコイルを安定状態に維持している。大腸菌（E. coli）トポイソメラーゼIのtopA遺伝子に変異が生じると、ジャイレース遺伝子に補償変異が生じることが見出されている。そうでなければ負のスーパーコイルが増加し、細胞生存性が低下する。トポイソメラーゼIの塩基配列特異性は高くないが、切断点はCの下流4塩基（C自体を含む）でなければならない。DNA一本鎖が切断された後、トポイソメラーゼIはニックの5’末端に結合し、ホスホジエステル結合の加水分解により得られるエネルギーをニックの再結合に利用するため、トポイソメラーゼIの機能には外部からのエネルギー供給を要しない。

機能

トポイソメラーゼ阻害薬は重要な抗腫瘍薬であり、トポイソメラーゼとDNAの間に形成される共有結合性複合体を安定化し、その結果DNA複製機構に障害を生じさせることで作用すると考えられている。トポイソメラーゼを標的とする薬効の起源については、なお不明な点が残されている。本号の表紙図は、薬剤作用により正のDNAスーパーコイルが蓄積する様子を示している。このようなDNAの過度な絡み合いはDNAポリメラーゼの進行を阻害し、複製フォークの停止または崩壊を引き起こして細胞死に至らせる可能性がある。

DNAトポイソメラーゼが触媒する反応

反応は多様であるが、本質はまずDNAのホスホジエステル結合を切断し、DNA鎖の数（連結数）を変化させ、その後再結合する点にある。すなわち、DNAエンドヌクレアーゼおよびDNAリガーゼとしての機能を併せ持つ。ただし、既存の断裂DNAを単独で連結することはできず、切断反応と連結反応は相互に共役している。異性化変換を生じ得るDNAトポイソメラーゼに加え、隣接塩基間にインターカレートして塩基スタッキングに影響を与える多くの試薬、特に平面性色素分子も、DNAのトポロジー状態を変化させ得る。最も典型的な例は臭化エチジウムである。インターカレートする色素分子数が増加すると、まず負のスーパーコイルが減少して消失し、続いて正のスーパーコイルが増加する。これは、一本鎖DNA結合タンパク質が負のスーパーコイルの変換を促進する場合と類似している。

臨床的意義

多くの薬剤はトポイソメラーゼへの干渉を介して作用する。広域スペクトルのフルオロキノロン系抗菌薬は、細菌のII型トポイソメラーゼ機能を阻害することで作用する。これらの低分子阻害薬は、染色体DNAに切断を生じさせるトポイソメラーゼの生理的能力を利用（ハイジャック）することにより、有効な抗菌作用を発揮する。トポイソメラーゼ阻害薬と総称される一部の化学療法薬は、がん細胞における哺乳類真核生物トポイソメラーゼに干渉することで作用する。これによりDNA切断が誘導され、最終的にプログラム細胞死（アポトーシス）に至る。治療上の有益性が期待される一方で、このDNA損傷作用は患者に二次がん（続発性腫瘍）を発症させる可能性もある。