フォトリアーゼによるDNA修復のダイナミクスとメカニズム

フラボタンパク質のクラスであるフォトリアーゼは、青色光を使用して、2種類の紫外線誘発DNA損傷、シクロブタンピリミジン二量体（CPD）、ピリミジンピリミドン（6-4）フォトプロダクト（6-4PP）を修復します。この観点では、フォトリアーゼによる両方のタイプのDNA回復の修復ダイナミクスとメカニズムの最近の進歩をレビューします。最初に、さまざまな酸化還元状態におけるフラビンの分光特性と、フォトリアーゼのアクティブサイト溶媒和ダイナミクスを報告します。次に、複数の分子間電子およびプロトン転移反応および結合壊しプロセスを含む、超高速タイムスケールのすべての基本ステップを解決することにより、フォトリアーゼと生体模倣システムによる損傷したDNAの詳細な修復ダイナミクスを体系的に要約します。ユニークな電子トンネリング経路を決定し、重要な機能的残基を特定し、高い修復効率の分子起源を明らかにし、したがって、分子メカニズムを解明し、最も基本的なレベルで修復する光環を解明しました。最終的に、生体模倣システムの水溶液とは異なり、フォトリアーゼの活性部位は、独自の静電環境と局所的な柔軟性を提供し、したがって、すべての基本ダイナミクスが修復効率を最大化するための専用の相乗効果を提供すると結論付けます。この修復写真は、機能的進化全体がリアルタイムで完全にマッピングされる最初の酵素です。

Photolyases, a class of flavoproteins, use blue light to repair two types of ultraviolet-induced DNA damage, a cyclobutane pyrimidine dimer (CPD) and a pyrimidine-pyrimidone (6-4) photoproduct (6-4PP). In this perspective, we review the recent progress in the repair dynamics and mechanisms of both types of DNA restoration by photolyases. We first report the spectroscopic characterization of flavin in various redox states and the active-site solvation dynamics in photolyases. We then systematically summarize the detailed repair dynamics of damaged DNA by photolyases and a biomimetic system through resolving all elementary steps on ultrafast timescales, including multiple intermolecular electron- and proton-transfer reactions and bond-breaking and -making processes. We determined the unique electron tunneling pathways, identified the key functional residues and revealed the molecular origin of high repair efficiency, and thus elucidate the molecular mechanisms and repair photocycles at the most fundamental level. We finally conclude that the active sites of photolyases, unlike the aqueous solution for the biomimetic system, provide a unique electrostatic environment and local flexibility and thus a dedicated synergy for all elementary dynamics to maximize the repair efficiency. This repair photomachine is the first enzyme that the entire functional evolution is completely mapped out in real time.