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1、从光复活现象说开去一一光修复酶的分子机理及延伸思考09300700014 李宜来摘要：许多微生物为了应对紫外线对自身DNA的损伤，都有一种光复活的现象。 此种现象主要由光修复酶(photolyase)来完成。本文简单地介绍了光修复酶发 挥作用的分子机理，并通过对其同源蛋白 蓝光蛋白(cryptochrome)的介绍， 来提出一些新的猜想与研究思路。关键词：光复活光修复酶正文：在实际生产和生活中，我们经常会采用紫外线消毒的手段来杀灭微生物。该 方法消毒效率高，简单易行，并不需投放化学药剂，没有有毒害的副产物出现， 所以在各领域都得到了广泛的应用。然而紫外线消毒的方法也存在一些弊端，使 得其无法杀
2、灭所有的有害微生物。细菌的光复活现象就是其中之一。紫外线之所以能够用于消毒，是因为它(主要是波长在220nm- 320nm之间 的短波紫外)能够使细菌的DNA形成嘧啶二聚体，造成DNA的损伤。由于嘧啶二 聚体一旦形成，就不能通过非光化学反应来重新返回到两分子嘧啶碱基的状态中 去，所以会阻碍DNA的正常复制和表达，从而导致细菌的死亡。具体的反应如下 图所示：图1紫外线引发嘧啶二聚体的形成反应然而，面对紫外线造成的DNA损伤，细菌并非束手无策。光复活现象就是专 门来应对此类损伤的。它利用光修复酶(DNA photolyase)来催化依赖光照的酶 促反应，使嘧啶二聚体裂解。下文主要从结构的角度入手，
3、来介绍光修复酶在光 复活反应中的分子机理。光修复酶是一类广泛存在于各种生物中的蛋白质，除了哺乳动物之外均发现有其存在。然而对于光复活的机制，尤其是光修复酶在整个过程中的分子机理， 在大肠杆菌（E. coli）以及一些藻类中研究得最为清楚。图2是大肠杆菌中光修复酶的晶体结构（来自 Protein Data Bank，DOI:10.2210/pdb1dnp/pdb）。图 中所示左下角区域即为光修复酶结合DNA嘧啶二聚体的位置，实际上在这个位置 有一个沟状结构，恰好能够使得DNA嵌入。大肠杆菌的光修复酶有两个辅基：核黄素腺嘌吟二核苷酸（FAD）以及次甲 基四氢叶酸（MTHF）。前者通过自身的氧化还原
4、来直接作用于嘧啶二聚体，而后 者则被猜测可能具有“天线”一样的作用，吸收光子以引起光诱导的反应。FAD在光修复酶中有氧化态和还原态两种形式，其中当FAD处于还原态时，图2大肠杆菌中光修复酶晶体结构光修复酶是有活性的。具体说来，首先，激发态的FADH-*将电子传递给嘧啶二聚体，然后自身变成氧化态。接受了电子的嘧啶二聚体变得不稳定，先是C5-C5键断裂，然后C6-C6键也随之断裂，从而使嘧啶二聚体变回两分子的嘧啶碱基。而在最后，已经裂解的嘧啶二聚体再将电子传回给FADH，使其变回还原态。另一方面，FAD自身也要通过电子传递链来得到电子并激发。这是通过光修复酶中的一个色氨酸电子传递链来实现的。图3为
5、上述的色氨酸电子传递链中三个关键的氨基酸以及FAD在光修复酶中的空间位置。从图中可见，它们之间的空间位置相隔非常近， 足以进行化学上的电子传递。猜测中的电子传递顺序是：W306递电子给W359, 再给到W382,最后传给FAD。在对相应的色氨酸进行突变（突变成无法进行电子 传递而空间大小于色氨酸相近的苯丙氨酸）后，发现电子传递无法进行，也间接 证实了对电子传递链的猜测。然而，尽管有上述以及其他的间接证据，尚没有直 接证据表明W359和W382确实参与了上述所猜测的色氨酸电子传递链。图3色氨酸电子传递链各成员在大肠杆菌光修复酶中的空间位置之前曾经提到，光修复酶不仅在微生物中存在，在其他生物中也广
6、泛存在。 更值得一提的是，近来备受关注的蓝光蛋白(cryptochrome)也是光修复酶的同 源蛋白。和光修复酶相似，蓝光蛋白是一类光受体蛋白。它在不同种生物体中发 挥着不同的作用，譬如拟南芥中的蓝光蛋白主要调节其昼夜节律变化，小鼠体内 中的蓝光蛋白调节其生理时钟，并发现于细胞凋亡以及癌变有着重要的关系。果 蝇等昆虫中的蓝光蛋白则更为有趣，它不仅在昆虫生理时钟的调节上发挥作用， 并且可以作为地磁感应的受体，在其飞行方向的导航上发挥作用。昆虫的蓝光蛋 白是极少数被发现有感应地磁功能的蛋白质之一。而对于所有的蓝光蛋白，其N 端的很大一部分区域与光修复酶有极高的同源性，只是C端的不同才引起了二者 功
7、能上的差异。上周，Nature上最新发表的一篇文章给出了果蝇蓝光蛋白的全 长结构(图4)，可以看出，它和距离其亲缘关系很远的大肠杆菌的光修复酶相 比，二者结构上也比较相似。所以，我们可以通过其已知的结构入手，参考已经 研究得比较清楚的DNA光修复酶的分子机理来猜测并验证这种蓝光蛋白的作用 机理。蓝光蛋白与光修复酶的主要不同之处有以下几点：1.蛋白虽然都含有FAD 作为辅基，但是前者不含MTHF； 2.前者不像光修复酶，它并不结合DNA，但是 晶体结构显示它会在光修复酶结合DNA的类似区域结合自己的C端尾(C-terminal tail，CTT)。上文已经解释了光修复酶的作用机制，可以说是通 过
8、一个色氨酸电子传递链将光信号传递给FAD，再通过FAD的氧化还原反应来改 变嘧啶二聚体的结构，使之裂解。同样，我们有理由猜测，果蝇的蓝光蛋白很可 能也采取一套同样的方式来转化并传递光信号，只是FAD的氧化还原反应并非作 用于其所结合的DNA，而是作用于它结合的CTT序列，而CTT序列的构象变化很 可能是其调节生理时钟以及引起对地磁场的感应的基础。事实上，在果蝇蓝光蛋 白的结构上找到了类似的色氨酸电子传递链（图5）。并且我们可以猜测，FAD 氧化还原反应之后的信号也很可能传递给了位于CTT 上的W536。当然，上述只 是根据已有结构以及对光修复酶的分子机理的知识所作的合理猜测，不过在后续 的研究
9、过程中，我们也可以考虑采用曾经用于研究光修复酶的一些方法，如定点 突变，FRET等，从而使蓝光蛋白这一新奇而有趣的蛋白质的分子作用机理尽早 大白于天下。图4果蝇蓝光蛋白晶体结构，红色示图5果蝇蓝光蛋白猜测的色氨酸电子传递链参考文献:1. 矫彩山，孙晓宇，邓国政.紫外线消毒中的光复活作用.环境科学与管理，2006, 31(9).2. Klaus Brettel and Martin Byrdin. Reaction mechanisms of DNA photolyase. Current Opinion in Structural Biology2010, 20:693 - 701.3. Ma
10、rtin Byrdin, Valerie Sartor, Andre P.M. Eker, Marten H. Vos, Corinne Aubert, Klaus Brettel, Paul Mathis. Intraprotein electron transfer and proton dynamics during photoactivation of DNA photolyase fromE. coli: reviewand new insights from an “inverse” deuterium isotope effect. Biochimica et Biophysic
11、a Acta 1655 (2004) 64 - 70.4. Brian D. Zoltowski, Anand T. Vaidya, Deniz Top, Joanne Widom, Michael W. Young, Brian R. Crane. Structure of full-length Drosophila cryptochrome. Nature (2011), doi:10.1038/nature10618, published online 13 November 2011.5. Yoshii, T., Ahmad, M. and Helfrich-Forster, C. Cryptochrome mediates light-dependent magnetosensitivity of Drosophila s circadian clock. PLoS Biol. 7, e1000086 (2009).
