Scientists See DNA Get 'Sunburned' For The First Time
Science Daily — 科學家首次觀察到 DNA 會被陽光中的紫外線破壞。
圖1. An undamaged stack of thymine bases is colored green in the DNA double helix on the left. In the double helix on the right, UV light has caused two new chemical bonds to form, fusing two thymine bases together. (Graphic by Bern Kohler, courtesy of Ohio State University)
俄亥俄州州立大學化學家和他們的同事在德國的實驗室裡，利用特殊的技術觀察到 DNA 的損壞。
他們發現 DNA 分子家族當中的一些官能基在陽光的曝曬下會進行一些常見的化學反應，而且這些關鍵的反應發生的時間短到令人震驚 － 少於一皮秒（picosecond，也就是 10 的負 12 次方）或一百萬的一百萬分之一秒。
科學家正在研究紫外線在皮膚曬傷中扮演的角色，同時也探討著曬傷與皮膚癌發生的關係。這個新的發現被發表在《科學》期刊當中，研究顯示 DNA 受損的位置與分子遭受紫外線襲擊的時間息息相關。
俄亥俄州立大學的副教授 Bern Kohler 表示：紫外線這種具有高能量的光會將 DNA 的分子激發。有一些激發的能量時間會維持的比較久一點，有一些則比較短一點。通常能量的衰變是無害的，但偶爾卻會觸發了化學反應的發生，進而改變 DNA 的分子結構。
圖2. 胸腺嘧啶彼此產生錯聚體或是二聚體的反應機轉
在此之前，科學家相信 DNA 的分子必須受到較長時間的紫外線曝曬才會促成 DNA 的傷害。所以在長時間的激發態下被認為是比短時間的激發來得更危險。但這個研究顯示，大多數因為紫外光所引起的傷害，都是被非常短暫存在的激發態所造成。
「對於要瞭解 DNA 是如何被紫外光所傷害的，那麼這個反應發生的速率有多快就變得非常重要了。」Kohler 說「在這個研究當中，我們並沒有發現到任何的證據顯示長時性的能階狀態會產生損害的反應。如今我們卻發現短時性的能階可以引起許多的化學反應，進而使 DNA 受損。」
這傷害包含了存在於數十億個 DNA 雙股螺旋鹼基對當中，彼此相互堆疊的胸腺嘧啶（thymine）身上，因為他們會發生一個微小的改變，那就是彼此會形成鍵結。
圖3. 紫外光照射會產生胸腺嘧啶二聚體（圖片來源：http://courses.cm.utexas.edu/emarcotte/ch339k/fall2005/Lecture-Ch8/Slide35.JPG）
圖4. 胸腺嘧啶二聚體在 DNA 中顯示的樣式（圖片來源：http://inisjp.tokai-sc.jaea.go.jp/ACT03E/03/0304.htm）
其實 DNA 自己也會使用相同的反應來治療它自己。但若 DNA 遭受了太多的損害時，它的自我修補能力就失效了。嚴重時時細胞就會死亡 － 這就是曬傷的刺痛。科學家同時也相信，慢性的損害會造成突變，比如說皮膚癌。
圖5. 負責修復 DNA damaged 的酵素（圖片來源：http://www.news.harvard.edu/gazette/2004/02.12/01-radical.html）
為了這個研究，化學家使用一種稱為瞬態吸收（transient absorption）的技術來觀察 DNA 的損害狀況。瞬態吸收的原理是讓分子吸收某些特定波長的光能。它可以讓研究人員在皮秒的時間尺度內觀察到底發生了什麼事。
圖6. Transient Absorption 儀器裝置圖（圖片來源：http://quantumdot.lanl.gov/pages/Research/TransAbs.html）
圖7. Transient Absorption 實際運作圖（圖片來源：http://www.nd.edu/~pkamat/femto.html）
他們同時也設計了一段特殊的 DNA － 其中有一小段通通都是胸腺嘧啶組成，這是為了提高在紫外光照射之下時的觀測機會。那麼將他們曝曬在紫外光下時，就可以計算胸腺嘧啶彼此形成鍵結的反應時間了。
Kohler 表示他與他們的同事所使用的 DNA 並不是來自於一般細胞裡面的 DNA。因為讓活體的細胞遭受曬傷會產生一系列的化學反應，所以這個實驗不允許他們讓一般的細胞遭受曬傷。
不過這也是首次有人觀察到 DNA 分子遭受破壞的證據。Kohler 相信這樣的結果可以讓科學家去研究如何解決因紫外光所引起的傷害問題。
在細胞裡面的 DNA 通常都會動來動去，他解釋到。由於它是一個相當具有彈性的分子，因此它可以彎曲或是扭轉。這樣的彈性使得一些正常的化學反應在細胞中不斷的發生。每一個反應都可以在幾個皮秒的時間內完成。
那真是快啊！但這個新的研究顯示出紫外光所造成的損害發生的更快。在這樣的時間尺度內，即便 DNA 的分子在移動中都還來不及固定下來時，這些不必要的鍵結就產生了。
這意味著兩個胸腺嘧啶鹼基之所以會受損，是依據它們在 DNA 裡面的位置，同時僅需在很短的時間之內吸收了紫外光的能量就會發生。要麼兩個胸腺嘧啶彼此排列在恰恰剛好的位置上，同時遭受到紫外光的襲擊，要麼就是什麼事情都沒發生。
Kohler 表示：「這說明了為什麼有些胸腺嘧啶的鹼基對跟其他的比較起來會更容易受到損害，同時也讓科學家們藉由瞭解 DNA 受損的狀態去探討是哪些因素所造成的。包含了這些鹼基在空間上的影響。」
「這讓我們瞭解光線造成的損害，這個新的結果可以讓我們的注意力轉移到 DNA 的結構上，同時瞭解 DNA 在短暫的吸收了光線之後到底發生了什麼事。」
His coauthors on the paper include Carlos E. Crespo-Hernandez, a former postdoctoral researcher at Ohio State ; and Wolfgang J. Schreier, Tobias E. Schrader, Florian O. Koller, Peter Gilch, Wolfgang Zinth, Vijay N. Swaminathan, and Thomas Carell, all of Ludwig Maximilians University in Munich .
圖8. Prof. Bern Kohler examines how DNA protects itself from UV radiation.（圖片來源：http://oncampus.osu.edu/v30n7/research.html）
The research was funded in part by the National Institute of General Medical Science at the National Institutes of Health, and by the Alexander von Humboldt Foundation of Germany.
Note: This story has been adapted from a news release issued by Ohio State University.
論文標題：
“Thymine Dimerization in DNA Is an Ultrafast Photoreaction”, Science 2007, 315, 625-629.
原始論文：
http://www.sciencemag.org/cgi/content/abstract/315/5812/625
原始文章：
http://www.sciencedaily.com/releases/2007/02/070201144831.htm