私たちの遺伝情報を担うDNAは、紫外線（UV）にさらされることで、化学的な損傷を受けることがあります。なかでも「(6-4)光産物」と呼ばれる損傷は、DNA中の隣接する2つの塩基（チミンやシトシン）が異常に結合し、そのあいだで酸素原子（O原子）が移動することで生じます（図1）。この損傷構造は極めて複雑で、細胞の遺伝情報を乱したり、がんの原因になることが知られています。

このようなDNA損傷に対して、多くの生物は「(6-4)光回復酵素」という酵素を使って修復を行います。(6-4)光回復酵素は、青色光（blue light）を吸収することで活性化し、DNAを元の形に戻すことが知られています（図1）。具体的には、酵素に含まれる補因子フラビン（FAD）が青色光を受け取り、(6-4)光産物に電子を一時的に送り込むことで修復が進行します。しかしこの仕組みの詳細は、長らく謎のままでした。これは、(6-4)光産物の修復効率が低く、修復途中で現れる反応中間体を捉えることが技術的に困難だったためです。

また、(6-4)光産物の修復には2回の光吸収が必要であることが山元らの過去の研究からわかっていましたが、「1回目の光で何が起こっているのか？」「2回目の光は何に作用しているのか？」といった根本的な問いが残されていました。

こうした背景のもと、今回の研究では、最新の時間分解分光技術と独自開発の試料交換システムを組み合わせることで、修復反応の途中で現れる反応中間体を直接観測し、その化学構造の解明に挑みました。

図1. 紫外線によって生じる(6-4)光産物と(6-4)光回復酵素によるDNAの光修復
DNAに紫外線が当たると、(6-4)光産物と呼ばれるDNA損傷が生じる。この損傷は、(6-4)光回復酵素による2段階の光反応をとおして修復される。

本研究では、(6-4)光回復酵素によるDNA修復において、第一の光で誘起される反応を捉えるために、FADや(6-4)光産物が示す紫外線・赤外線の吸収変化を時間分解測定でモニターしました（時間分解紫外吸収分光法および時間分解赤外吸収分光法）。紫外吸収測定では、第二の光が試料に当たらないよう、試料を微量に流しながらデータを取得しました。一方、赤外吸収測定では、多数の微小な区画に保持した試料に第一の光だけが当たるよう工夫し、赤外顕微鏡で観測を行いました。このように設計・構築した独自の自動測定システムを活用することで、第一の光によって進行する酵素反応を精度良く追跡することに、世界で初めて成功しました。

紫外吸収測定の結果、第一の光を当てたわずか500マイクロ秒以内に、FADと(6-4)光産物のあいだで電子のやり取りが起こり、反応中間体が生成される様子が観測されました。この中間体は250ナノメートル付近の紫外線を吸収する性質を持っていました。さらに、赤外吸収測定によって、この反応中間体が約11マイクロメートル（900 cm-1）付近の赤外線領域に特徴的な吸収を示すこともわかりました。これらの分光情報と量子化学計算を組み合わせることで、この反応中間体が「オキセタン」と呼ばれる特殊な環状構造をもつことが明らかになりました（図2）。この構造は、損傷形成時に移動した酸素原子（O原子）の再配置をともなう構造変化の中間地点にあたります。

オキセタンはこれまで、DNAが紫外線で損傷を受ける過程でごく短時間だけ現れる構造とされてきました。今回の研究は、この構造が修復過程においても酵素環境下で現れ、第二の光に反応するための中間的な状態として存在していることを示したものです。この発見は、損傷と修復の両過程に共通して現れる分子構造の存在と、それを動的に制御する酵素の働きを実験的に示した、世界初の成果です。

図2. オキセタン中間体を経由したDNA修復のしくみ
第一の光を受けた酵素が(6-4)光産物に電子を送り込むと、一時的に「オキセタン」と呼ばれる環構造が現れる。この構造は、損傷形成時に移動した酸素原子（O原子）が元の位置に戻りかけている状態であり、修復の“折り返し点”にあたる。その後、第二の光の作用でこの環構造が切断され、DNAは正常な形に戻る。

本研究により、(6-4)光回復酵素がオキセタン中間体を形成・保持するという、新たな酵素制御のしくみが明らかになりました。本研究で使用した(6-4)光回復酵素は、両生類アフリカツメガエル由来のものです。この真核生物の酵素による修復反応がオキセタンを経由することが、実験的に示されました。今後は他の動植物や微生物の(6-4)光回復酵素との比較を通じて、DNA修復の進化的保存性や精緻な制御機構の理解がさらに進むことが期待されます。また、本研究の成果は、光を利用したDNA修復のしくみを分子レベルで理解するうえで重要な知見を提供するだけでなく、将来的な光誘導型DNA修復ツールの開発に向けた基盤知識としても貢献するものです。

さらに、今回活用された試料交換型の時間分解分光技術は、従来の手法では捉えにくかった一過性の反応を追跡できる可能性を大きく拡げました。今後はこの技術を、他の光依存性酵素や光駆動型タンパク質複合体へと応用することで、より広範な生体分子の機能解明が進むと期待されます。