首次在时间尺度和原子分辨率发现光解酶的完整分子机制

光解酶是一种普遍存在的黄素蛋白，它利用蓝光来修复DNA的光腐蚀。

2023年12月1日，德国电子同步加速器研究中心Thomas J. Lane团队在Science在线发表题为“Time-resolved crystallography captures light-driven DNA repair”的研究论文，该研究利用时间分辨晶体学捕获了光驱动DNA修复过程。光解酶是一种利用光催化DNA修复的酶。

为了捕获参与酶催化循环的反应中间体，研究人员进行了时间分辨晶体学实验。研究发现光解酶以高度弯曲的几何形状捕获活性辅助因子黄素腺嘌呤二核苷酸(FAD)的激发态。这种激发态将电子转移到受损的DNA，诱导修复。此外发现修复反应，包括两个共价键的裂解，通过单键中间体发生。底物转化为产物挤占了活性位点，破坏了与酶的氢键，导致产物逐步释放，首先释放3 '胸腺嘧啶，然后是5 '碱基。

另外，2023年12月1日，德国马尔堡菲利普斯大学Lars-Oliver Essen、中央研究院生物化学研究所Ming-Daw Tsai、Yoshitaka Bessho及Manuel Maestre-Reyna共同通讯在Science 在线发表题为“Visualizing the DNA repair process by a photolyase at atomic resolution”的研究论文，该研究通过光解酶在原子分辨率下观察到了DNA的修复过程。该研究利用时间分辨序列飞秒晶体学(TR-SFX)确定了光裂解酶催化环丁烷嘧啶二聚体(CPD)损伤修复的结构机制。获得了18个快照，显示了四个反应位点的随时间变化。利用这些结果制作了一个“电影”，描绘了在皮秒到纳秒范围内CPD损伤的修复，随后参与催化的酶部分的恢复，在500纳秒内完成完全还原的酶产物复合物的形成。最后，在25到200微秒内捕获胸腺嘧啶碱基的后空翻中间体，以重新退火DNA。该数据涵盖了光解酶的完整分子机制，重要的是，它的化学和酶催化作用跨越了广泛的时间尺度和原子分辨率。

光解酶是一种利用光修复太阳辐射引起的DNA损伤的酶。这些酶的古老起源表明，它们对早期生物体维持基因组完整性至关重要。如今，它们仍然是几乎所有物种的重要DNA修复机制。不同的光解酶已经进化到修复两种最常见的DNA光腐蚀：环丁烷嘧啶二聚体(CPDs)和6-4加合物。CPDs占阳光引起的DNA损伤事件的约80%。这些病变由嘧啶碱基之间的两个非天然碳-碳键组成，最常见的是序列相邻的胸腺嘧啶。CPD光解酶，专门针对CPD病变，打破这些键，将碱基恢复到它们的功能结构。为此，它们使用350到450纳米的光子作为催化循环的一部分，使它们成为少数已知的光酶之一。光解酶对CPDs的修复始于结合的黄素腺嘌呤二核苷酸辅因子(FADH -)的光激发，要么通过FADH -的直接光子吸收，要么通过从第二个“天线”辅因子的共振能量转移，该辅因子在更宽的可见光谱范围内收集辐射。在纳秒内，激发态(FADH - *)将一个电子转移到CPD损伤处。促进电子转移是有效修复DNA的关键。化学模型表明，即使在没有酶活性位点的情况下，CPD的还原也足以破坏嘧啶二聚体并产生修复的碱基。由于FADH - *激发态在溶液中会在几十皮秒内衰减，一个重要的问题是酶如何稳定这种激发态，以便在去激发之前发生电子转移。电子转移与去激发事件的比率是影响整体量子效率的关键因素，CPD光解酶的量子效率非常高，报道值从~50%到>80%。相比之下，光解酶的化学模型缺乏酶的结构，最大量子效率为1%至5%。为了达到这些高量子效率，酶必须适应从基态到激发态的转变，但随后捕获该状态，使去激发过程比电子转移时间尺度慢。然而，这种被捕获的中间体的结构至今仍是未知的。

时间分辨晶体学捕获的DNA光解酶的反应周期（图源自Science ）更令人感兴趣的是FAD结合模式的作用，它与光解酶和隐色素家族不同。这种酶将FAD弯曲成U形构象，使得FAD腺嘌呤部分位于供电子的异咯嗪环和接受电子的CPD之间。光谱学研究表明腺嘌呤介导电子转移，但缺乏对这种U结合模式在进化中被选择的精确解释。因此，激发态腺嘌呤的结构表征是非常有趣的。该研究确定了在DNA修复过程中光解酶的十种时间分辨结构。高度弯曲激发态和单键胸腺嘧啶二聚体的观察确定了沿反应途径的关键中间体。这些结构为了解光解酶的化学机理提供了基础。DNA中的重排，与酶本身的适度结构变化相反，驱动催化循环的限速步骤，即产物释放。总之，该结构阐明了一个强大的DNA修复系统的功能，几乎所有的生命形式都使用这个系统在阳光下生存和繁衍。原文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adj4270