Photolyasen zeigen nach Anregung mit blauem Licht zwei voneinander unterscheidbare Reaktionen [Weber, 2005Weber, Stefan (2005): Light-driven enzymatic catalysis of DNA repair: a review of recent biophysical studies on photolyase, Biochimica et Biophysica Acta 1707:1-23, Sancar, 2003Sancar, Aziz (2003): Structure and Function of DNA Photolyase and Cryptochrome Blue-Light Photoreceptors, Chemical Reviews 103:2203-2237], die DNA-Reparatur (auch: Photoreaktivierung) und ein „Photoaktivierung“ genannter Prozeß, bei dem ein Elektron über eine Kette von Tryptophanen auf das (nicht vollreduzierte) Flavin übertragen und dieses so voll reduziert wird.

Abb. 1: Die beiden Photoreaktionen der Photolyase: DNA-Reparatur (I) und Photoaktivierung (II). Für die DNA-Reparatur, bei der ein Elektron vom lichtangeregten Flavin-Kofaktor (FAD) auf die DNA-Läsion (unten links im Bild) übertragen wird, ist es notwendig, daß das Flavin vollreduziert vorliegt. Um das zu erreichen, kann die Photolyase über eine Kaskade dreier Tryptophane (oben rechts im Bild) ein Elektron auf das Flavin übertragen und es so voll reduzieren („Photoaktivierung“). Ausgehend von einem voll oxidierten Flavin-Kofaktor entstehen so kurzlebige Radikalpaare zwischen einem Flavin- und einem Tryptophan-Radikal.

Für die DNA-Reparatur wird folgender Reaktionsmechanismus angenommen: Ein Photon wird vom Antennenpigment (MTHF bzw. 8-HDF) absorbiert und durch Förster-Resonanzenergietransfer auf das vollreduzierte FAD übertragen. Das angeregte FAD gibt daraufhin ein Elektron an das gebundene Thymindimer (CPD oder (6-4)-Photoprodukt) ab, das dort zu einer Remonomerisierung der beiden Thyminbasen führt. Anschließend wird das Elektron zurück auf das Flavin übertragen. Für Details vgl. [Sancar, 2003Sancar, Aziz (2003): Structure and Function of DNA Photolyase and Cryptochrome Blue-Light Photoreceptors, Chemical Reviews 103:2203-2237, Weber, 2005Weber, Stefan (2005): Light-driven enzymatic catalysis of DNA repair: a review of recent biophysical studies on photolyase, Biochimica et Biophysica Acta 1707:1-23]. Die Photoaktivierung ist ein Charakteristikum von Photolyasen, deren Flavinkofaktor nicht im vollreduzierten Zustand vorliegt. Dabei wird nach Lichtanregung über eine Kette dreier konservierter Tryptophane ein Elektron auf den Flavinkofaktor übertragen. Über die physiologische Relevanz der Photoaktivierung herrscht in der Literatur Uneinigkeit [Sancar, 2003Sancar, Aziz (2003): Structure and Function of DNA Photolyase and Cryptochrome Blue-Light Photoreceptors, Chemical Reviews 103:2203-2237, MacFarlane, 2003MacFarlane, IV, Alexander W.; Stanley, Robert J. (2003): \emphCis-Syn Thymidine Dimer Repair by DNA Photolyase in Real Time, Biochemistry 42:8558-8568]. Sicher ist jedoch, daß vollreduziertes Flavin (FADH^-) den physiologisch relevanten Oxidationszustand in Photolyasen darstellt [Sancar, 2003Sancar, Aziz (2003): Structure and Function of DNA Photolyase and Cryptochrome Blue-Light Photoreceptors, Chemical Reviews 103:2203-2237, Weber, 2005Weber, Stefan (2005): Light-driven enzymatic catalysis of DNA repair: a review of recent biophysical studies on photolyase, Biochimica et Biophysica Acta 1707:1-23].

Abb. 2: Die konservierte Trp-Triade bei Cryptochromen und Photolyasen. Dargestellt sind die Strukturen von Escherichia coli CPD-Photolyase (blau, PDB-Eintrag: 1dnp); Thermus thermophilus CPD-Photolyase (rot, 1iqr); Drosophila melanogaster (6–4)-Photolyase (grau, 3cvu); Arabidopsis thaliana Cryptochrom-1 (orange, 1u3d); Synechocystis sp. PCC6803 Cryptochrom- DASH (gelb, 1np7); Arabidopsis thaliana Cryptochrom-3 (braun, 2j4d). Der sequentielle Elektronentransfer nach Blaulichtanregung des FAD, ausgehend von TrpA über TrpB nach TrpC entlang der Kaskade ist schematisch eingezeichnet.

Die Photoaktivierung ist für die Cryptochrome als Teil des Reaktionsmechanismus im Gespräch. Das hat zwei Gründe: (1) die hohe Ähnlichkeit der beiden Proteine zueinander und (2) insbesondere die Konservierung der drei in Photolyasen für die Reduktion verantwortlichen Tryptophane, die eine Kette von der Proteinoberfläche zum Flavin bilden.