研究人员研究修复紫外线对DNA损伤的酶

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紫外线会在DNA构建体胸腺嘧啶中的原子之间产生破坏性连接。一种称为光裂解酶的酶,由不同波长的光触发,将其切断并修复损伤。 (Dave Goodsell / PDB-101的彩色插图)

em SLAC的X射线激光生物化学“动作镜头”可帮助科学家开发用于医学的合成酶,并回答在化学反应过程中酶如何变化的基本问题。 / em

美国能源部SLAC国家加速器实验室的一个研究小组正在使用Linac相干光源(LCLS)研究植物,细菌和一些修复由太阳紫外线(UV)光线引起的DNA损伤的动物中发现的酶。

通过研究这种称为DNA光裂解酶的酶,利用LCLS X射线激光的超高亮度和超快速脉冲,研究人员终于有机会观察到酶的作用,因为它实时催化化学反应并以原子级解析关于这些酶如何工作的长期争论。最终,这些知识可以用于改造合成酶的改进型酶,以驱动生物系统中的关键反应,或生成自然界不存在的新型酶。

“酶的生物化学反应是生物体适应性和效率的核心,”LCLS的副研究员科学家Thomas Joseph Lane说。 “但酶的工作细节隐藏在极短时间内发生的化学过程中,低至百万分之一秒,因此我们需要LCLS揭示其秘密。”

强大的维修机器

在短短几秒钟内,来自太阳的紫外线会通过在DNA的双螺旋中产生数百个不需要的链接而损害DNA。这些修饰使得DNA复制工具使得遗传物质庞大且无法读取,从而导致永久性突变,如果遗留未修复的话可导致癌症和其他疾病。

但是,携带破坏性紫外线的阳光同样含有蓝光,可诱导光解酶快速修复DNA损伤。

光解酶被认为是为什么植物 - 与每天有太阳照射时间的小时 - 相比,缺乏光裂解酶的人更不容易遭受紫外线伤害。人类和其他哺乳动物必须退回到其他DNA修复机制(或避免完全暴露在阳光下)。

使用超快X射线照相机

通过LCLS,研究人员现在可以使用世界上最快和最亮的X射线激光脉冲来研究生物如何抵御紫外线伤害。

例如,今年早些时候,由SLAC的副工作人员科学家Thomas Wolf领导的一个科学家小组利用LCLS观察了防止紫外线对DNA结构单元胸腺嘧啶造成损伤的第一步。

“在LCLS之前,其他X射线'照相机'太慢了,”Lane解释道。 “试图用这些X射线源精确地对酶和其他蛋白质进行成像,就像试图用迈克尔菲尔普斯的一个老照相机拍摄动作镜头一样。你只会在他整个100码的蝴蝶事件中得到一些模糊的图像,这很难做出令人兴奋或信息量大的照片。“

但是对于LCLS,他说,“想象一系列连续的高分辨率照片 - 你将能够捕捉到每一滴水,以及菲尔普斯手腕上的每一滴蝴蝶。这正是LCLS让我们在可视化酶活性时所做的。“

建立更好的酶

与沃尔夫关于DNA如何保护自身免受损害的实验相反,Lane的团队正在研究一旦保护机制失效,光解酶如何修复紫外线伤害。通过将光照曝光,可以非常精确地控制光裂解酶,使其成为使用激光产生的光进行研究的理想酶。

为了详细了解光解酶的化学性质,研究人员用来自激光器的精心控制的光脉冲激活酶。随后他们将酶暴露于LCLS产生的X射线脉冲,在专门的检测器中产生特征X射线散射图。对散射X射线数据的分析揭示了酶在原子水平上的化学和结构变化,并发生在百万分之十亿分之一秒的时间尺度上。

上图:LCLS X射线激光探测结晶光解酶前的光学显微镜图像。底部:光解酶晶体的X射线衍射图。这些由X射线与晶体中的原子相互作用而形成的图案被用于确定分子的结构。 (Thomas Joseph Lane / SLAC国家加速器实验室)

研究酶促DNA修复过程的最终目的之一是设计合成酶,其模拟但比自然界中发现的更好。

Lane说:“我们对酶的工作原理还有一些重大差距,人造酵素尚未与自然界的性能相匹配。” “我们希望我们在LCLS的实验将帮助我们缩小这些差距,让我们更加接近理解和利用化学生物每天都在做的事情。”

研究光裂解酶修复机制的研究小组包括SLAC科学家,德国自由电子激光科学中心(CFEL),查普曼大学,瑞典斯德哥尔摩皇家理工学院KTH,俄亥俄州立大学,斯坦福大学和瑞典哥德堡大学。

来源:SLy国家加速器实验室Miyuki Dougherty