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(6-4)光回復酵素によるDNA修復過程の分子動画撮影

Publicly Offered Research

Project AreaNon-equilibrium-state molecular movies and their applications
Project/Area Number 20H05442
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)

Allocation TypeSingle-year Grants
Review Section Complex systems
Research InstitutionOsaka University

Principal Investigator

山元 淳平  大阪大学, 基礎工学研究科, 准教授 (90571084)

Project Period (FY) 2020-04-01 – 2022-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2021)
Budget Amount *help
¥6,890,000 (Direct Cost: ¥5,300,000、Indirect Cost: ¥1,590,000)
Fiscal Year 2021: ¥3,510,000 (Direct Cost: ¥2,700,000、Indirect Cost: ¥810,000)
Fiscal Year 2020: ¥3,380,000 (Direct Cost: ¥2,600,000、Indirect Cost: ¥780,000)
KeywordsDNA修復 / DNA損傷 / 光回復酵素 / 反応解析 / 構造生物学 / 光回復
Outline of Research at the Start

本研究提案では、変異原性の高いDNA損傷である(6-4)光産物を修復することができる(6-4)光回復酵素のDNA修復機構を明らかにするため、 (6-4)光回復酵素-DNA共結晶を用いた時分割シリアルフェムト秒結晶構造解析(TR-SFX)ならびそれを補完する分光測定を行う。申請者が提唱している(6-4)光回復酵素の逐次的2光子修復反応機構における中間体構造を明らかにすることで、発見から20余年が経過した(6-4)光回復酵素のDNA修復反応機構の世界的議論に決着をつける。

Outline of Annual Research Achievements

DNA修復酵素の一つである(6-4)光回復酵素による修復反応を時分割シリアルフェムト秒X線結晶構造解析によって追跡することを目的とし、クラミドモナス由来動物類縁型クリプトクロム(CraCRY)と損傷DNA複合体の共結晶作成およびSACLAでの構造解析を行なった。DNA配列に工夫を施すことで、酵素-DNA複合体の微結晶を再現性良く作成することに成功した。酸化型FADを有するCraCRY-DNA複合体の三次元構造を2.2オングストロームの分解能で解いたところ、従来の低温シンクロトロン構造とは異なり、DNA修復活性に重要なヒスチジン側鎖の配向が常温では揺らいでいることが明らかとなった。DNA修復活性を示す二電子還元型FADH-を有するCraCRY-DNA複合体共結晶を得るため、暗下嫌気条件下にて共結晶化を行なったところ、DNA修復活性を有する共結晶の作成にも成功した。今後、SACLAにて時分割測定を行う。
また、溶液中におけるDNA修復反応の追跡のため、修復反応に伴い過渡的に形成する中性FADHラジカルの寿命を測定したところ、1光子目の反応は40マイクロ秒で、また2光子目の反応は200ナノ秒で進行することを見出し、学術誌に投稿・受理された。これは時分割実験において重要な入力パラメーターであるため、この知見をもとにして今後SACLAでの実験を進める。さらに、赤外分光法による構造解析を行うため、反応に関与すると考えられる損傷内のヒドロキシ基酸素原子を重原子へと置換したDNA基質を合成し、兵庫県立大・久保教授のグループと共同研究を行った。現在、反応中間体と考えられる信号が得られており、今後重原子置換基質を用いて中間体の構造同定を進める。

Research Progress Status

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

Report

(2 results)
  • 2021 Annual Research Report
  • 2020 Annual Research Report
  • Research Products

    (11 results)

All 2022 2021 2020 Other

All Int'l Joint Research (5 results) Journal Article (5 results) (of which Int'l Joint Research: 3 results,  Peer Reviewed: 5 results,  Open Access: 5 results) Presentation (1 results)

  • [Int'l Joint Research] 台湾・Academia Sinica(その他の国・地域)

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    • Author(s)
      Klaus Brettel, Pavel Mueller, Junpei Yamamoto
    • Journal Title

      ACS Catalysis

      Volume: 12 Issue: 5 Pages: 3041-3045

    • DOI

      10.1021/acscatal.2c00492

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  • [Journal Article] Limited solvation of an electron donating tryptophan stabilizes a photoinduced charge-separated state in plant (6-4) photolyase2022

    • Author(s)
      Yuhei Hosokawa, Pavel Mueller, Hirotaka Kitoh-Nishioka, Shigenori Iwai, Junpei Yamamoto
    • Journal Title

      Scientific Reports

      Volume: 12 Issue: 1 Pages: 5084-5084

    • DOI

      10.1038/s41598-022-08928-0

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    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Serial crystallography captures dynamic control of sequential electron and proton transfer events in a flavoenzyme2022

    • Author(s)
      Maestre-Reyna M, Yang CH, Nango E, Huang WC, Putu EPGN, Wu WJ, Wang PH, Franz-Badur S, Saft M, Emmerich HJ, WHY, LCC, HKF, CYK, LJH, WJH, GW, CCW, PAH, SM, OS, HY, JY, YA, TR, TT, LF, TK, HKC, KS, Schapiro I, Spadaccini R, Royant A, Yamamoto J, Iwata S, Essen LO*, Bessho Y*, Tsai MD*
    • Journal Title

      Nature Chemistry

      Volume: - Issue: 6 Pages: 677-685

    • DOI

      10.1038/s41557-022-00922-3

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    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Key interactions with deazariboflavin cofactor for light-driven energy transfer in Xenopus (6-4) photolyase2021

    • Author(s)
      Ayaka Morimoto, Yuhei Hosokawa, Hiromu Miyamoto, Rajiv Kumar Verma, Shigenori Iwai, Ryuma Sato, Junpei Yamamoto
    • Journal Title

      Photochemical & Photobiological Sciences

      Volume: 20 Issue: 7 Pages: 875-887

    • DOI

      10.1007/s43630-021-00065-3

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      2021 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Enhanced DNA repair by DNA photolyase bearing an artificial light-harvesting chromophore2020

    • Author(s)
      Yuma Terai, Ryuma Sato, Risa Matsumura, Shigenori Iwai, Junpei Yamamoto
    • Journal Title

      Nucleic Acids Research

      Volume: 48 Issue: 18 Pages: 10076-10086

    • DOI

      10.1093/nar/gkaa719

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    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Presentation] Light-induced movements of amino acid residues in Chlamydomonas reinhardtii animal-like cryptochrome and their roles in photoreduction.2021

    • Author(s)
      中村麻愛、細川雄平、岩井成憲、山元淳平
    • Organizer
      第59回生物物理学会年会
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Published: 2020-04-28   Modified: 2022-12-28  

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