ピリミジン二量体

直接機構によれば、UV光子はピリミジンに吸収され、光反応は主に一重項励起状態から進行する。これらの状態は集団的であり、両方のピリミジンに非局在化している。^{[ 37 ] [ 38 ]}項間交差によって形成されるチミン三重項状態を経由して進行するマイナーな経路もCPDについて報告されている。^{[ 31 ] [ 39 ]}

64PPsの場合、直接光化学プロセスにより反応中間体（オキセタン）が形成され、^{[ 40 ]}その後暗反応により最終的な二量体となる。^{[ 41 ] [ 42 ]} デュワー価異性体^{[ 43 ]}は64PPsを照射すると得られ、反応において主鎖が重要な役割を果たしている。^{[ 44 ]}時間分解吸収分光法 による研究では、チミン一本鎖ではCPDが1ピコ秒以内に形成されるのに対し、 ^{[ 28 ]}オキセタンから64PPsに至る反応は4ミリ秒以内に完了することが明らかになった。^{[ 45 ]}

二量体化反応の量子収率（Φ）は、吸収された光子あたりに形成される二量体の数として定義され、その照射波長依存性は、これらの研究の中心となる。これらのパラメータは、光子吸収時に占有される電子励起状態の性質と緩和に本質的に関連している。[ 46 ^{] [ 47 ]単一の}チミン鎖では、Φ _{CPD は}主吸収帯全体で一定（0.05）である。対照的に、Φ _{64PP は}波長の増加に伴って連続的に減少する。^{[ 30 ]} DNA が弱い吸収を示す UVA 照射では 64PP は検出されないが、CPD は効率は低いものの依然として誘導される（Φ _CPD =7 × 10 ⁻⁴）。さらに重要なことに、塩基対形成は UVA 照射下での CPD 形成を促進し、Φ _{CPD は} 7 倍高くなるが、UVC 照射では逆の傾向が観察される。^{[ 48 ]}

254 nm で照射された単離精製ゲノム DNA についても、さまざまなピリミジン二量体の形成が定量化された 。CPD (総 Φ _CPD =10 ^{−3 ) は 64PP (総 Φ} _64PP = 3 × 10 ⁻⁴ )より豊富である。^{[ 49 ]}また、UVA 光で照射されたこの天然生体分子についても CPD 形成が報告されている。^{[ 36 ]}

間接機構では、三重項状態が重要な役割を果たします。通常、UVA 領域の光子が光増感剤に吸収され、その三重項状態は項間交差によって生成されます。続いて、電子励起エネルギーがピリミジン三重項状態に移動し、二量化が引き起こされます。CPD と SP の両方がこの経路で形成されます。対照的に、光増感によって 64PP またはそのデュワー価異性体が形成されるという証拠はありません。^{[ 50 ]}

光増感に必要な条件を調べるために、ベンゾフェノン、フタルイミド、フルオロキノロンなどのさまざまな光増感剤がテストされてきた。実際には、それらの三重項エネルギーはピリミジン三重項状態のエネルギーよりも高くなければならず、項間交差の量子収率も十分に高くなければならない。外部因子に加えて、DNAに既に存在する64PPは、ピリミドンの三重項状態を介してCPD形成を光増感する能力を持っている。^{[ 51 ]}増感は二重らせん内の三重項エネルギー移動に先行する可能性があり、最大105 Åの移動距離が報告されている。^{[ 52 ]}

シクロブタンピリミジン二量体（CPD）は、対応する単量体ピリミジンよりもかなり短い波長で吸収します。吸収極大は220  nmより下に位置しますが、正確には決定されていません。^{[ 53 ]}対照的に、64PPの吸収スペクトルは、損傷を受けていない類似体と比較して大きく赤方偏移しています。ジヌクレオシド一リン酸の場合、吸収極大は307～325  nmの範囲にあります。^{[ 54 ]}デュワー価異性体の形成は、吸収スペクトルの短波長シフトを引き起こしますが、UVA領域では弱い吸収テールが残ります。胞子光生成物（SP）の吸収スペクトルは、初期の損傷を受けていないピリミジンの吸収スペクトルとほぼ同じです。^{[ 55 ]}

様々なピリミジン二量体のうち、64PPのみが測定可能な蛍光を示し、そのピークは385～400 nm付近にあります。対応する量子収率は10 ⁻² のオーダーであり、^{[ 54 ]}損傷を受けていないDNAの固有蛍光よりも約2桁高い値です。^{[ 56 ]}このため、1970年代にはすでに、その発光がUV誘発DNA損傷を定量化するための内部指標として利用できることが示唆されていました。^{[ 57 ]}ずっと後になって、このアプローチは殺精子ランプの有効性を評価するために提案されました。^{[ 58 ]}しかし、UV放射によって二重らせん内で引き起こされる基本的なプロセスに関する研究によると、400 nm付近の発光はDNA損傷の定量的評価には適していません。^{[ 59 ]} 

ピリミジン二量体化の発見に伴い、これらの損傷が光可逆反応を起こし、元のピリミジン塩基を再生できることが観察された。^{[ 60 ]}この光可逆性は、二量体の吸収帯内で照射すると起こり、CPDに特有のものである。反応は量子収率が非常に高く、ほぼ1に近い。^{[ 61 ] [ 62 ]} その後、損傷を受けていない核酸塩基を選択的に照射すると、DNAオリゴマーにおける別のタイプのCPD光可逆反応が報告された。このいわゆる自己修復機構は、隣接するプリン塩基からCPD損傷への電子移動に起因するとされた。^{[ 63 ] [ 64 ] [ 65 ]}

突然変異形成の過程である突然変異誘発は、ピリミジン二量体の部位に突然変異を導入することが多い損傷乗り越えポリメラーゼによって大きく影響を受ける。 ^{[ 88 ]}これは、原核生物では突然変異誘発に対するSOS応答によって、真核生物では他の方法によって起こる。チミン-チミンCPDはUVによって誘発される最も一般的な損傷であるため、損傷乗り越えポリメラーゼはこれらの二量体の反対側にアデニンを取り込む傾向があり、正確な複製につながる。しかし、CPDの一部であるシトシンは脱アミノ化を受けやすく、シトシンからチミンへの遷移を引き起こし、突然変異プロセスに寄与する。^{[ 89 ]}

ピリミジン二量体は、DNA構造に局所的な立体構造変化を引き起こし、修復酵素による損傷の認識を可能にする。^{[ 90 ]}ほとんどの生物（ヒトなどの胎盤哺乳類を除く）では、光回復によって修復される。^{[ 91 ]}光回復は、光分解酵素が光化学反応を用いてCPDを逆転させる修復プロセスである。さらに、一部の光分解酵素は、UV誘発DNA損傷の6-4光産物も修復することができる。光分解酵素は、修復プロセスにおいてフラビンアデニンジヌクレオチド（FAD）を補因子として利用する。 ^{[ 92 ]}

野生型酵母細胞の集団を 37% に減少させる UV 線量 (ヒットのポアソン分布を仮定) は、集団の各細胞に平均 1 つの致死ヒットを引き起こす UV 線量と同じです。^{[ 93 ]}この線量で一倍体ゲノムあたりに誘導されるピリミジン二量体の数は27,000 と測定されました。^{[ 93 ]} 3 つの既知のピリミジン二量体修復経路に欠陥のある変異酵母株も UV 感受性についてテストされました。この場合、一倍体ゲノムあたり 1 ～ 2 個の修復されていないピリミジン二量体のみが細胞に致死的です。^{[ 93 ]}これらの結果は、野生型酵母におけるチミン二量体の修復が非常に効率的であることを示しています。^{[ 94 ]}

Nucleotide excision repair (NER), sometimes termed "dark reactivation", is a more general mechanism for repair of lesions and is the most common form of DNA repair for pyrimidine dimers in humans. This process works by using cellular machinery to locate the dimerized nucleotides and excise the lesion. Once the CPD is removed, there is a gap in the DNA strand that must be filled. DNA machinery uses the undamaged complementary DNA strand as a template to synthesize the matching nucleotides and consequently fill in the gap on the damaged strand.^[95]

Xeroderma pigmentosum (XP) is a rare genetic disease in humans that is caused by UV damage to genes that code for NER proteins, resulting in the inability for the cell to combat pyrimidine dimers that form. Individuals with XP are also at a much higher risk of cancer, with a >5,000-fold increased risk of developing skin cancers compared to the general population.^[96] Some common features and symptoms of XP include skin discoloration and the formation of multiple tumors due to UV exposure.^[97]

A few organisms have other ways to perform repairs:

• Spore photoproduct lyase is found in spore-forming bacteria. It reverts thymine dimers to their original state.^[98]
• Deoxyribodipyrimidine endonucleosidase is found in bacteriophage T4. It is a base excision repair enzyme specific for pyrimidine dimers, and is able to cut open the AP site.

Another type of repair mechanism that is conserved in humans and other non-mammals is translesion synthesis. Typically, the lesion associated with the pyrimidine dimer blocks cellular machinery from synthesizing past the damaged site. However, in translesion synthesis, translesion polymerases can replicate past the CPD, allowing both replication and transcription machinery to continue past the lesion. One specific translesion DNA polymerase, DNA polymerase η, is deficient in individuals with Xeroderma pigmentosum.^[99]