分子映画はDNA修復を最初から最後まで捉えます。 研究

国際研究者は、時間分解超高速結晶学を使用して、光分解酵素によるDNA修復プロセスを追跡しました。 この研究は、「全酵素反応サイクルの最初の構造的特徴付け」と言います。 マヌエル・マエストレ・レイナ研究を主導した人です。

このプロセスの多くの段階が以前に研究されてきましたが、新しい研究は「基質と酵素の構成を可視化することによって」はるかに進化しました、と分子生物学者は言います。 アジズ・サンカル ノースカロライナ大学医科大学教授であり、DNA修復の機械論的研究で2015年にノーベル化学賞を受賞しました。 特に、この研究は、プロセスのすべての酵素段階をマッピングするために非常に異なる時間スケールで発生するイベントをキャプチャする必要がある課題を克服しました。 Sancarはこれを「時間分解結晶学の限界を超えた優れた研究」と呼びます。

「酵素が遅い」

フォトリアーゼは、細菌、真菌、植物および絆創膏を含むいくつかの動物の紫外線によるDNA損傷を修復する。 人間や他の哺乳類にはこれらの酵素は含まれていませんが、私たちも光による損傷を受けます。 一般的な結果の1つは、隣接する2つのピリミジン塩基（チミンまたはシトシン）が4員シクロブタン環を介して一緒に融合するシクロブタンピリミジン二量体（CPD）の形成です。 「CPD形成は皮膚がんの主な原因であり、日焼けした皮膚には常にCPD病変が含まれています」と台湾台北にある生物化学研究所の生化学者であるMaestre-Reynaは言います。

この酵素は活性部位にCPDを維持することによってDNAを修復しますが、補酵素であるフラビンアデニンジヌクレオチド（FAD）は光によって刺激される過程で電子をシクロブタン環に伝達します。 これは、ピリミジンを一緒に結合している2つの炭素 – 炭素結合を切断するフリーラジカル反応を引き起こします。

FADが有効になると、これらすべてがすばやく発生します。 最初の電子移動は100ps後に発生し、2番目のCC結合は約1ns後に切断されます。 しかし、酵素の活性部位が初期状態に戻るには約500nsかかり、修復されたピリミジンが活性部位から飛び出してDNAが放出されるにはさらに200μsかかります。

生物物理学者「酵素は遅い」 マリウス・シュミット ウィスコンシン大学ミルウォーキーキャンパス。 ‘触媒サイクルはミリ秒単位で完了しますが、結合形成や局所的な弛緩などの基本的なイベントは非常に高速です。 この2つの期間を1つにまとめることは困難です。」

全体のプロセスに従うために、Maestre-Reynaとその同僚は、2つの明るいX線自由電子レーザー（FEL）源を使用して、微生物光分解酵素とCPD含有DNAの共結晶の超高速結晶学を行いました。 スイスで働いていたチームは、反応の最初の10nsに関するデータを収集し、もう1つのチームは日本でFELを使用して酵素複合体の緩和と10nsから200μsまでのDNA放出を研究しました。

タンパク質を精製し、活性化し、共結晶化し、結晶を収穫し、20時間以内にデータを収集する必要がありました。

Maestre-Reynaは、最大の課題は、チームがデータを収集するためにすばやく作業する必要があるということです。 「光分解酵素は完全に還元された形態でのみ活性化されるので、すべての実験は無酸素条件下で行われるべきです」と彼は言いました。 そして還元された形態は非常に容易に酸化されるので、再び不活性化されるまで約20時間しかかからないと推定しました。 「私たちはタンパク質を精製し、活性化し、共結晶化し、結晶を収穫し、データ収集の準備をし、実際に現場から20時間以内にデータを収集する必要がありました」と彼は付け加えます。

Maestre-Reynaは、この作業はさまざまな分野の大規模なチームがある場合にのみ可能であると強調しています。 これには含まれます ミンドの違い DNA修復の構造的基礎を広く研究してきた台湾研究室では、 ラス・オリバー・エッセン Philipps University Marburg出身（「世界で最も重要な光分解酵素科学者の一人」）、 山本順平 大阪大学（「おそらく必要な膨大な規模で光損傷したDNAを生産できる世界唯一の合成化学者」） アントゥアンロイヤン グルノーブル・アルプス大学のパフォーマンス専門家 結晶の分光学。

重要であるがこれまでほとんど理解されていない反応の成分は、活性部位内の5つの水分子クラスターです。 タンパク質の一部に水素結合したこのクラスターは、CPDに対する活性部位の親和性を微調整し、初期電子移動が発生したときに迅速に再構成できるようにするようです。 これは、新しい研究が確認した以前の推測的なアイデアです。 Maestre-Reynaはまた、「私たちが最初のナノ秒の間に何を期待すべきかについての非常に良い知識で武装していましたが、後で何が起こるのかを言います。 [when the bases are released] 本当に未知の領域でした。」