ＤＮＡ紫外線損傷を修復するＤＮＡフォトリアーゼはどのように機能するか？
生物が紫外線に弱い理由の一つは、紫外線があたるとＤＮＡに傷がつくことでＤＮＡに書かれている情報が書き換わってしまい、いつもとは異なるタンパク質が合成されて、細胞に悪さをするからです。地球上ではある程度の紫外線は、いつも降り注いでいるので、ＤＮＡは常に書き換わってしまう危険と隣り合わせにあります。それでも普段は特に問題なく生物が日なたで活動しているのは、書き換わってしまったＤＮＡをもとに戻す仕組みがあるからです。
ＤＮＡフォトリアーゼは紫外線によるＤＮＡの損傷を修復するタンパク質です。紫外線が、チミンが２個連続しているＤＮＡ部分にあたると、２個のチミンが化学的に結合してしまいチミンダイマーに変わってしまいます。チミンダイマーになると、ＤＮＡに書き込まれている情報が変わってしまいます。おもしろいことにＤＮＡフォトリアーゼは紫外線を浴びると、ＤＮＡのチミンダイマーをもとの２個のチミンに戻すことができるようになります。紫外線がＤＮＡに傷をつけ、同じ紫外線でＤＮＡフォトリアーゼはＤＮＡの傷を治すことができるようになります。
ＤＮＡフォトリアーゼはいろいろな低分子と結合しており、その低分子が紫外線を浴びることで電子を発生させ、その電子がチミンダイマーに流れることで、チミンダイマーが２個のチミンに戻ります。ところが電子がどこを流れるのかはよくわかっていませんでした。１９９０年代の研究によると、タンパク質は電子の経路とは無関係で、紫外線を受ける低分子から電子が直接チミンダイマーに流れるとされていました。我々の研究グループでは、この研究結果に高精度のコンピュータシミュレーションで再挑戦しました。その結果１９９０年代の研究結果を確認できたとともに、もう一つ重要な電子経路があることを見いだしました。つまり電子は２つの経路でチミンダイマーに流れていくことがわかりました。我々が見つけた経路はタンパク質の３５３番目のメチオニンを経由する経路です。
ＤＮＡフォトリアーゼは生命情報の維持にとても大切なタンパク質ですから、いろいろな生物が持っています。３５３番目のメチオニンが電子伝達に重要であることがコンピュータシミュレーションでわかったので、他の生物にあるＤＮＡフォトリアーゼでも３５３番目のアミノ酸残基はメチオニンに違いありません。そうでないと電子の流れが悪くなり、チミンダイマーを除去することができないはずです。いろいろな生物のゲノムが読み取られていますので、ゲノム情報データベースからＤＮＡフォトリアーゼとおぼしきアミノ酸配列をすべて探し出し、３５３番目のアミノ酸残基を調べてみると、不思議なことにメチオニンではない場合もありました（図）。
３５３番目のアミノ酸残基がメチオニンではないＤＮＡフォトリアーゼは、ＤＮＡの損傷修復ができるのでしょうか？今までの研究の歴史を文献でこつこつと調べ上げていきますと、これらのＤＮＡフォトリアーゼはＤＮＡ損傷を修復する機能がないことが実験的に確かめられていることがわかりました。もう少し正確に言いますと、実験によって機能が調べられているこれらのタンパク質のうち、３５３番目がメチオニンのタンパク質はすべてＤＮＡ損傷修復の機能があり、３５３番目がメチオニンではないタンパク質は、ＤＮＡ損傷修復の機能がないことがたしかめられていました。今までの研究は１つ１つのタンパク質をこつこつと調べていただけだったので、このように俯瞰的に調べたのは我々がはじめてです。ところが１個だけ例外がありました。シロガラシのタンパク質では、３５３番目がメチオニンではないのにＤＮＡ損傷修復の機能があると実験的に確かめられていました。我々がこれはおかしいと主張しましたところ、この実験のを否定する実験が発表されていることと、ゲノム情報データベースの記述が間違っていることが後にわかりました。現在ではゲノム情報データベースの記述も訂正されています。
発表論文：
Miyazawa, Y., Nishioka, H., Yura, K., Yamato, T. (2008) Discrimination of class I cyclobutane pyrimidine dimer photolyase from blue light photoreceptors by single methionine residue. Biophysical Journal, 94 (6), 2194-2203.
倭 剛久、西岡宏任、由良 敬 (2009) 理論計算＋生命情報学で初めて見出された活性部位の機能性残基 −ＤＮＡ補修酵素の場合―、 生物物理, 49 (4), 196-197.
紹介記事：
知財カタログ０３：ライフサイエンス (2008) The Judicial World, 3, 40-41.