DNA光解酶催化环丁烷嘧啶二聚体自由基阴离子裂解的理论研究

Cyclobutane pyrimidine dimers (CPDs) are photoproducts of UVB-induced DNA lesions which could cause skin cancer. CPD can be repaired by the highly efficient enzyme DNA photolyases (PL), thus it is important for the prevention and treatment of skin cancer to study the repair mechanism of CPD catalyzed by PL. In spite of current experimental and theoretical studies, the splitting mechanism of the intermediate CPD radical anion catalyzed by PL is still controversial and the current theoretical studies in the enzymatic environment have some shortcomings. This project is aimed at revealing the splitting mechanism of the CPD radical anion catalyzed by PL with the aid of ab initio methods, the combined quantum mechanical and molecular mechanical method, molecular dynamics simulations, and thermodynamic analyses. The main research contents are: 1) Simulating the splitting processes of the CPD radical anion in the gas phase, water solution, and in PL, and investigating the splitting mechanisms through thermodynamic analyses. 2) The effects of the protonation of the CPD radical anion. 3) Comparisons of the catalytic processes catalyzed by different PLs from various bacteria. This project is intended to reveal the splitting mechanism of the CPD radical anion catalyzed by PL and explore the roles played by the key elements. This project is expected to provide theoretical support and guidance for clinical application.

DNA受UVB辐射生成致皮肤癌的环丁烷嘧啶二聚体（CPD），而DNA光解酶（PL）能高效修复CPD，所以研究PL修复CPD的机理对预防和治疗皮肤癌有重要意义。目前的实验和理论研究对PL催化修复反应中的中间体CPD自由基阴离子裂解的机理仍存有争议，且已有的PL环境中的理论研究仍有不足。本项目利用量子力学方法、混合量子力学和分子力学的方法、分子动力学模拟、和热力学分析等方法研究PL催化CPD自由基阴离子裂解的机理。主要研究内容包括：1）模拟CPD自由基阴离子在气相、水溶液、和PL中裂解的过程，结合热力学分析研究裂解机理。2）质子化CPD自由基阴离子对裂解反应的影响。3）不同细菌中的PL催化裂解反应的差异。4）溶剂效应和活性部位关键残基在催化过程中的贡献。本项目最终将揭示PL催化CPD自由基阴离子裂解的机理，探索PL催化裂解的关键因素，从而为临床应用提供理论依据和指导。

环丁烷嘧啶二聚体（cyclobutane pyrimidine dimer, CPD）是脱氧核糖核酸（deoxyribonucleic acid, DNA）受到紫外光照射的主要光致产物。若CPD不能被修复或者被消除，它容易导致紫外光诱发的皮肤癌。DNA光解酶可以利用紫外光和另外两个辅酶来修复CPD。至今光解酶修复CPD的机理仍存争议。首先，多种反应物被认为参与到反应当中，它们分别是CPD自由基阴离子、CPD自由基阳离子和质子化的CPD自由基阴离子。再者，可能的反应机理有协同反应机理、异步协同一步反应机理和分步反应机理。最后，CPD附近的谷氨酸Glu283的作用还未知。为了了解光解酶修复CPD的机理，我们用密度泛函理论计算来研究四个CPD模型的裂环反应和谷氨酸Glu283与CPD模型之间的质子转移反应。四个模型分别为：CPD阴离子、CPD自由基阴离子、质子化的CPD分子及质子化的CPD自由基阴离子。我们采用ωB97XD/6-311++G(2df,2pd)来计算四个模型在气相和隐形溶剂当中裂环反应的二维势能面图以及计算质子转移反应的一维势能曲线。计算结果为：（1）在气相和液相中，CPD自由基阴离子的活化能最小，因此DNA光解酶的最可能的反应机理为CPD自由基阴离子的裂环反应机理。（2）CPD自由基阴离子的裂环反应是分步反应，C5-C5’键先断裂，C6-C6’再断裂，中间有个稳定的中间产物。（3）计算的键断裂的活化自由能分别为0.9和3.1 kcal/mol, 与实验值2.4和3.7 kcal/mol相近，且C6-C6’断裂是速率决速步。（4）若Glu283质子化CPD自由基阴离子则会减慢裂环速度，但是Glu283可以通过氢键稳定CPD自由基阴离子从而增加量子产率。（5）两次键的裂解均为均裂，中间态发生SOMO-HOMO能级倒置和自旋及电荷差别极化。计算结果表明使CPD裂环反应加快发生的不是DNA光解酶而是其中的提供一个电子给CPD的辅酶，而人们可以尝试通过选择合适的氧化型或者还原型的光敏剂加入到膏体当中用于皮肤癌的治疗。