光解酶是一種普遍存在的黃素蛋白，它利用藍光來修復DNA的光腐蝕。

2023年12月1日，德國電子同步加速器研究中心Thomas J. Lane團隊在Science在線發(fā)表題為“Time-resolved crystallography captures light-driven DNA repair”的研究論文，該研究利用時間分辨晶體學捕獲了光驅(qū)動DNA修復過程。光解酶是一種利用光催化DNA修復的酶。

為了捕獲參與酶催化循環(huán)的反應中間體，研究人員進行了時間分辨晶體學實驗。研究發(fā)現(xiàn)光解酶以高度彎曲的幾何形狀捕獲活性輔助因子黃素腺嘌呤二核苷酸(FAD)的激發(fā)態(tài)。這種激發(fā)態(tài)將電子轉(zhuǎn)移到受損的DNA，誘導修復。此外發(fā)現(xiàn)修復反應，包括兩個共價鍵的裂解，通過單鍵中間體發(fā)生。底物轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物擠占了活性位點，破壞了與酶的氫鍵，導致產(chǎn)物逐步釋放，首先釋放3 '胸腺嘧啶，然后是5 '堿基。

另外，2023年12月1日，德國馬爾堡菲利普斯大學Lars-Oliver Essen、中央研究院生物化學研究所Ming-Daw Tsai、Yoshitaka Bessho及Manuel Maestre-Reyna共同通訊在Science在線發(fā)表題為“Visualizing the DNA repair process by a photolyase at atomic resolution”的研究論文，該研究通過光解酶在原子分辨率下觀察到了DNA的修復過程。該研究利用時間分辨序列飛秒晶體學(TR-SFX)確定了光裂解酶催化環(huán)丁烷嘧啶二聚體(CPD)損傷修復的結(jié)構(gòu)機制。獲得了18個快照，顯示了四個反應位點的隨時間變化。利用這些結(jié)果制作了一個“電影”，描繪了在皮秒到納秒范圍內(nèi)CPD損傷的修復，隨后參與催化的酶部分的恢復，在500納秒內(nèi)完成完全還原的酶產(chǎn)物復合物的形成。最后，在25到200微秒內(nèi)捕獲胸腺嘧啶堿基的后空翻中間體，以重新退火DNA。該數(shù)據(jù)涵蓋了光解酶的完整分子機制，重要的是，它的化學和酶催化作用跨越了廣泛的時間尺度和原子分辨率。

光解酶是一種利用光修復太陽輻射引起的DNA損傷的酶。這些酶的古老起源表明，它們對早期生物體維持基因組完整性至關(guān)重要。如今，它們?nèi)匀皇菐缀跛形锓N的重要DNA修復機制。不同的光解酶已經(jīng)進化到修復兩種最常見的DNA光腐蝕：環(huán)丁烷嘧啶二聚體(CPDs)和6-4加合物。CPDs占陽光引起的DNA損傷事件的約80%。這些病變由嘧啶堿基之間的兩個非天然碳-碳鍵組成，最常見的是序列相鄰的胸腺嘧啶。CPD光解酶，專門針對CPD病變，打破這些鍵，將堿基恢復到它們的功能結(jié)構(gòu)。為此，它們使用350到450納米的光子作為催化循環(huán)的一部分，使它們成為少數(shù)已知的光酶之一。光解酶對CPDs的修復始于結(jié)合的黃素腺嘌呤二核苷酸輔因子(FADH -)的光激發(fā)，要么通過FADH -的直接光子吸收，要么通過從第二個“天線”輔因子的共振能量轉(zhuǎn)移，該輔因子在更寬的可見光譜范圍內(nèi)收集輻射。在納秒內(nèi)，激發(fā)態(tài)(FADH -*)將一個電子轉(zhuǎn)移到CPD損傷處。促進電子轉(zhuǎn)移是有效修復DNA的關(guān)鍵。化學模型表明，即使在沒有酶活性位點的情況下，CPD的還原也足以破壞嘧啶二聚體并產(chǎn)生修復的堿基。由于FADH -*激發(fā)態(tài)在溶液中會在幾十皮秒內(nèi)衰減，一個重要的問題是酶如何穩(wěn)定這種激發(fā)態(tài)，以便在去激發(fā)之前發(fā)生電子轉(zhuǎn)移。電子轉(zhuǎn)移與去激發(fā)事件的比率是影響整體量子效率的關(guān)鍵因素，CPD光解酶的量子效率非常高，報道值從~50%到>80%。相比之下，光解酶的化學模型缺乏酶的結(jié)構(gòu)，最大量子效率為1%至5%。為了達到這些高量子效率，酶必須適應從基態(tài)到激發(fā)態(tài)的轉(zhuǎn)變，但隨后捕獲該狀態(tài)，使去激發(fā)過程比電子轉(zhuǎn)移時間尺度慢。然而，這種被捕獲的中間體的結(jié)構(gòu)至今仍是未知的。

時間分辨晶體學捕獲的DNA光解酶的反應周期（圖源自Science）更令人感興趣的是FAD結(jié)合模式的作用，它與光解酶和隱色素家族不同。這種酶將FAD彎曲成U形構(gòu)象，使得FAD腺嘌呤部分位于供電子的異咯嗪環(huán)和接受電子的CPD之間。光譜學研究表明腺嘌呤介導電子轉(zhuǎn)移，但缺乏對這種U結(jié)合模式在進化中被選擇的精確解釋。因此，激發(fā)態(tài)腺嘌呤的結(jié)構(gòu)表征是非常有趣的。該研究確定了在DNA修復過程中光解酶的十種時間分辨結(jié)構(gòu)。高度彎曲激發(fā)態(tài)和單鍵胸腺嘧啶二聚體的觀察確定了沿反應途徑的關(guān)鍵中間體。這些結(jié)構(gòu)為了解光解酶的化學機理提供了基礎。DNA中的重排，與酶本身的適度結(jié)構(gòu)變化相反，驅(qū)動催化循環(huán)的限速步驟，即產(chǎn)物釋放。總之，該結(jié)構(gòu)闡明了一個強大的DNA修復系統(tǒng)的功能，幾乎所有的生命形式都使用這個系統(tǒng)在陽光下生存和繁衍。原文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adj4270