Топоизомераза - Topoisomerase

ДНК-топоизомераза
Идентификаторы
Номер ЕС5.99.1.2
Количество CAS80449-01-0
Базы данных
IntEnzПросмотр IntEnz
БРЕНДАBRENDA запись
ExPASyПросмотр NiceZyme
КЕГГЗапись в KEGG
MetaCycметаболический путь
ПРИАМпрофиль
PDB структурыRCSB PDB PDBe PDBsum

Топоизомеразы (или же ДНК-топоизомеразы) являются ферментами, которые участвуют в перемотке или перемотке ДНК. Проблема намотки ДНК возникает из-за переплетенной природы ее двойной спиральной структуры. В течение Репликация ДНК и транскрипция, ДНК перекручивается перед вилкой репликации. Если его не ослабить, это скручивание в конечном итоге остановит способность ДНК или РНК-полимераз, участвующих в этих процессах, продолжать движение вниз по цепи ДНК.

Чтобы предотвратить и исправить эти типы топологических проблем, вызванных двойной спиралью, топоизомеразы связываются с ДНК и разрезают фосфатный остов одной или обеих цепей ДНК. Этот промежуточный разрыв позволяет ДНК распутываться или раскручиваться, а в конце этих процессов основа ДНК снова запечатывается. Поскольку общий химический состав и связность ДНК не меняются, субстрат и продукт ДНК являются химическими изомерами, различающимися только своей глобальной топологией, что и привело к названию этих ферментов. Топоизомеразы изомераза ферменты которые действуют на топология ДНК.[1]

Бактериальные топоизомеразы и человеческие топоизомеразы действуют посредством сходных механизмов управления суперспиралями ДНК. Топоизомеразы можно разделить на подсемейства. В семье типа I есть два подсемейства; тип IA и тип IB, когда фермент связывается с 5 ’фосфатом цепи ДНК и с 3’ фосфатом на ДНК, соответственно. В семействе типа II структура и организм определяют подсемейства и их функции.[2]

Открытие

В 1970-е годы Джеймс С. Ван был первым, кто открыл топоизомеразу, когда определил Кишечная палочка топоизомераза I. Топо-EC-коды следующие: тип I, EC 5.99.1.2; тип II: EC 5.99.1.3.

Функция

Общая функция ДНК-топоизомеразы - управлять топологическим состоянием ДНК в клетке. Есть два типа или семейства этого фермента; Семья типа I и семья типа II. Семейство типа I передает одну цепь ДНК через разрыв противоположной цепи. Другими словами, фермент ДНК-топоизомераза I типа расщепляет только одну цепь ДНК. Семейство типа II пропускает область дуплекса (две цепи) от той же самой молекулы или другой молекулы через двухцепочечный разрыв. Подводя итог, тип II расщепляет обе цепи ДНК, что приводит к двухцепочечному разрыву. Топоизомеразы могут либо снимать отрицательные суперспирали, как положительные, так и отрицательные суперспирали, либо вызывать положительную и отрицательную суперспирали в ДНК. Ферменты также могут способствовать катенации (когда две одиночные кольцевые цепи ДНК соединяются вместе после репликации) и декатенации (разделению двух связанных, замкнутых кольцевых хромосом), а также могут ослаблять переплетение линейных хромосом.[2]

В двойной спиральный конфигурация нитей ДНК затрудняет их разделение, что требуется геликаза ферменты, если другие ферменты должны расшифровывать в последовательности который кодировать белки, или если хромосомы должны быть воспроизведен. В кольцевой ДНК, в которой двойная спиральная ДНК изогнута и соединена в круг, две нити топологически связаны, или завязанный. В остальном идентичные петли ДНК, имеющие разное количество витков, являются топоизомеры, и не могут быть взаимно преобразованы без разрыва цепей ДНК. Топоизомеразы катализируют и направляют развязывание или отсоединение ДНК[3] путем создания временных разрывов в ДНК с использованием консервативных тирозин в качестве каталитического остатка.[1]

Внедрение (вирусной) ДНК в хромосомы и другие формы рекомбинация также может потребоваться действие топоизомераз.

Топологически связанные кольцевые молекулы, также известные как катенаны, принимают положительную суперспиральную форму в процессе репликации кольцевых плазмид. Разрыв катенанов осуществляется топоизомеразами типа IIA, которые, как недавно было обнаружено, более эффективно разъединяют положительную суперспиральную ДНК. Конформационные свойства отрицательных и положительных суперспиральных катенанов влияют на их свойства в отношении их соответствующей ферментативной реакции, катализируемой топоизомеразами. Эксперименты продемонстрировали, что положительная суперскрученная ДНК обеспечивает резкий изгиб ДНК в первом связанном сегменте ДНК, что позволяет топоизомеразе успешно связываться и, следовательно, продолжать свою ферментативную реакцию со следующим сегментом в определенном веществе изнутри наружу. С другой стороны, отрицательная суперспиральная ДНК не обеспечивает такого изгиба, и доступ фермента к первому сегменту практически невозможен, что препятствует отсоединению.[4]

Топоизомераза также содержится в митохондриях клеток.[5] Митохондрии производят АТФ, а также играют роль в запрограммированной гибели и старении клеток.[6] Митохондриальная ДНК клеток животных представляет собой кольцевую двухцепочечную ДНК, для репликации которой требуется активность топоизомеразы. Классы топоизомеразы, обнаруженные в митохондриях, - это I, IIβ, IIIα.[5]

Дрожжи

Известно, что дрожжевые клетки используют три топоизомеразы: Топоизомераза I из подсемейства IB необходима для роста. Он предоставляет вилке репликации возможность двигаться вперед, а также удаляет положительные и отрицательные суперспирали, связанные с транскрипция. Топоизомераза II из подсемейства IIA необходима для декатенации сцепленных хромосом и подготовки к сегрегации во время митоза. Топоизомераза II не может индуцировать отрицательные суперспирали, но может расслаблять как положительные, так и отрицательные суперспирали, как топоизомераза I, и может заменять топоизомеразу I, если она отсутствует. Топоизомераза III семейства IA используется для роста клеток. Без топоизомеразы III скорость рекомбинации в митозе и мейозе может увеличиваться, что замедляет рост клеток. В С. Помбе клетки, III используется для поддержания деления клеток.

Высшие эукариоты

Высшие эукариотические организмы являются более сложными организмами и обычно требуют более сложного клеточного аппарата. Эти организмы обычно имеют топоизомеразу I, две топоизомеразы типа IIA и два фермента типа III. Топоизомераза I помогает перемещению вилки репликации и расслабляет суперспирали, связанные с транскрипцией. Он также используется для расслабления соленоидный суперспирали, которые образуются, когда хромосомы конденсируются при подготовке к митозу. Две топоизомеразы типа IIA, IIα и IIβ, используются для разъединения переплетенных дочерних дуплексов, а также для помощи в делении клеток и подавлении рекомбинации, соответственно. Считается, что типы IIIα и IIIβ работают в эмбриогенезе и взаимодействуют с геликасы, соответственно.

Эубактерии

Кишечная палочка содержит четыре ДНК-топоизомеразы: два фермента типа IA (I и III) и два типа IIA (ДНК-гираза и топоизомераза IV). ДНК-топоизомеразы III и IV имеют сходные функции. Топоизомераза III неспособна расслаблять положительные суперспирали, но она поддерживает движение репликационной вилки на плазмидной ДНК. in vitro. Он может декатенировать обмотку, которая происходит за вилкой репликации, сосредоточив внимание на зарубки в ДНК. Топоизомераза IV - самый эффективный декатенирующий фермент в Кишечная палочка. Он также расслабляет отрицательные суперспирали. ДНК-гираза использует гидролиз АТФ для создания отрицательной суперспирализации в бактериальных хромосомах. Он расслабляет положительные суперспирали перед вилкой репликации и участвует в конденсации хромосом. Наконец, топоизомераза I вместе с топоизомеразой IV и ДНК-гиразой способствует образованию некоторой отрицательной суперспирализации.

Археи

О последовательностях генома архей известно мало. Следовательно, сведения о ферментах топоизомеразы также ограничены. Они действительно содержат обратную гиразу, топоизомеразу типа IA и топоизомеразу VI. Функции топоизомераз архей сравнимы с функциями ферментов эубактерий. Единственное примечательное отличие состоит в том, что топоизомераза VI у архей отвечает за декатенацию промежуточных продуктов репликации ДНК и расслабляет как положительные, так и отрицательные суперспирали.

Бактериофаг

Бактериофаг (фаг) Т4-гираза (топоизмераза типа II) представляет собой мультисубъединичный белок, состоящий из продуктов генов 39, 52 и, вероятно, 60. Он катализирует релаксацию отрицательно или положительно сверхспиральной ДНК и используется в фаге. Репликация ДНК во время заражения Кишечная палочка бактериальный хозяин. Поскольку хозяин Кишечная палочка ДНК-гираза может частично компенсировать потерю продуктов гена фага Т4, мутанты, дефектные по генам 39, 52 или 60, не полностью отменяют репликацию фаговой ДНК, а скорее задерживают ее начало.[7] Мутанты, дефектные по генам 39, 52 или 60, показывают повышенное генетическая рекомбинация а также увеличение количества замен и делеций оснований мутация предполагая, что синтез ДНК с компенсацией хозяина менее точен, чем управляемый фагом дикого типа.[8] Мутанты, дефектные по генам 39, 52 и 60, также обладают пониженной способностью проводить реактивацию множественности, форму рекомбинационной репарации, которая может иметь дело с различными типами повреждений ДНК.[9]

Топология ДНК

Топология ДНК - это третичные конформации ДНК, такие как суперспирализация, завязывание узлов и цепочка. Топология ДНК может быть нарушена большинством метаболических процессов: РНК полимераза может вызывать положительные суперспирали, наматывая ДНК перед ферментом, а также может вызывать отрицательные суперспирали, наматывая ДНК позади фермента. ДНК-полимераза оказывает такое же влияние на репликацию ДНК. Положительная и отрицательная суперспирализация уравновешивает всю глобальную топологию ДНК, поэтому в целом топология остается неизменной. Однако, как Репликация ДНК или вилка транскрипции движется вперед и увеличивается положительная суперспирализация, нити ДНК все плотнее и плотнее обвиваются вокруг друг друга, что затрудняет продвижение полимеразы. Важно устранить локальную топологию ДНК перед и за полимеразой, чтобы могли продолжаться репликация и деление клеток. Для этого используются ДНК-топоизомеразы.[10]

Топологические проблемы

Есть три основных типа топологии:

Вне основных процессов репликация или же транскрипция ДНК должна быть как можно более компактной, и эти три состояния помогают этому делу. Однако, когда происходит транскрипция или репликация, ДНК должна быть свободной, и эти состояния серьезно препятствуют процессам. Кроме того, во время репликации вновь реплицированный дуплекс ДНК и исходный дуплекс ДНК переплетаются и должны быть полностью разделены, чтобы гарантировать целостность генома при делении клетки. По мере развития пузыря транскрипции ДНК перед транскрипционной вилкой перематывается или положительно скручивается, в то время как ДНК за пузырем транскрипции перематывается или отрицательно скручивается. Когда происходит репликация, ДНК перед репликационным пузырем становится положительно суперспиральной, а ДНК за репликационной вилкой запутывается, образуя прекатенаны. Одна из самых важных топологических проблем возникает в самом конце репликации, когда дочерние хромосомы должны быть полностью распутаны до митоза. Топоизомераза IIA играет важную роль в решении этих топологических проблем.

Клиническое значение

Смотрите также: Ингибитор топоизомеразы

Многие лекарства действуют через взаимодействие с топоизомеразами.[11]Широкий спектр фторхинолон антибиотики действуют, нарушая функцию бактериальных топоизомераз II типа. Эти низкомолекулярные ингибиторы действуют как эффективные антибактериальные агенты, перехватывая естественную способность топоизомеразы создавать разрывы в хромосомной ДНК.

Немного химиотерапия наркотики называются ингибиторы топоизомеразы работают, вмешиваясь в эукариотические топоизомеразы типа млекопитающих в рак клетки. Это вызывает разрывы в ДНК, которые в конечном итоге приводят к запрограммированной гибели клеток (апоптоз ). Этот повреждающий ДНК эффект, помимо его потенциальных лечебных свойств, может привести к вторичные новообразования у пациента.[нужна цитата ]

Топоизомераза I - это антиген признанный Анти Scl-70 антитела в склеродермия.

Классы

Топоизомеразы могут решить эти топологические проблемы и делятся на два типа в зависимости от количества нитей, разрезанных за один цикл воздействия:[12] Оба эти класса ферментов используют консервативный тирозин. Однако эти ферменты структурно и механически различны. Чтобы просмотреть видео об этом процессе, нажмите Вот.

  • А топоизомераза I типа разрезает одну цепь двойной спирали ДНК, происходит релаксация, а затем разрезанная цепь повторно лигируется. Разрезание одной нити позволяет части молекулы на одной стороне разреза вращаться вокруг неразрезанной нити, тем самым уменьшая напряжение от слишком большого или слишком малого скручивания спирали. Такой стресс возникает, когда нить ДНК «суперспирата» или разматывается до или от более высоких порядков наматывания. Топоизомеразы типа I, которым не требуется АТФ для гидролиза, подразделяются на три подкласса:
    • Топоизомеразы типа IA, которые имеют много общих структурных и механистических особенностей с топоизомеразами типа II. Примеры топоизомераз типа IA включают прокариотические топоизомеразы I и III, эукариотические Топоизомераза IIIα и Топоизомераза IIIβ и обратный гираз. Как и топоизомеразы типа II, топоизомеразы типа IA образуют ковалентный интермедиат с 5'-концом ДНК.
    • Топоизомеразы типа IB, в которых используется управляемый вращательный механизм. Примеры топоизомераз типа IB включают эукариотические и эукариальные вирусные Топоизомераза I. В прошлом топоизомеразы типа IB назывались эукариотической топоизомеразой I, но топоизомеразы IB присутствуют во всех трех сферах жизни. Топоизомеразы типа IB образуют ковалентный промежуточный продукт с 3'-концом ДНК.
    • Была идентифицирована топоизомераза типа IC (также называемая топоизомераза V).[13] Хотя он структурно уникален от топоизомераз типа IA и IB, он имеет аналогичный механизм с топоизомеразой типа IB.
  • А топоизомераза типа II разрезает обе нити одной двойной спирали ДНК, пропускает через нее другую непрерывную спираль ДНК, а затем повторно лигирует разрезанные нити. Топоизомеразы типа II используют гидролиз АТФ и подразделяются на два подкласса, которые обладают сходной структурой и механизмами:
    • Топоизомеразы типа IIA, которые включают эукариотические и эукариальные вирусные Топоизомераза IIα и Топоизомераза IIβ, бактериальная гираза и топоизомераза IV.
    • Топоизомеразы типа IIB, включая топоизомеразу VI, обнаруженную в архее.
Топоизомераза[1]Тип подсемействаФункцияМультимерностьМеталлическая зависимостьАТФ-зависимостьОдно- или двухцепочечное расщепление?Полярность спайностиИзменение номера ссылки (L)
Топоизомераза I

(Кишечная палочка)

Тип IAУдаляет (-), но не (+) суперспиралиМономерДа (Mg2+)НетSS5'±1
Топоизомераза III

(Кишечная палочка)

Удаляет (-), но не (+) суперспирали; Функция перекрытия с топоизомеразой IV
Топоизомераза IIIα

(H. sapiens)

Удаляет (-), но не (+) суперспирали; Помогает в разъединении прекатенанов при репликации клеточной ДНК; Может катализировать завязывание, развязывание и переплетение однонитевых кругов, а также завязывание, развязывание, связывание и декатенацию разрывных или разорванных дуплексных кругов ДНК.
Топоизомераза IIIβ

(H. sapiens)

Неизвестная функция
Обратная ДНК-гираза

(Кишечная палочка)

Удаляет (-), но не (+) суперспиралиГетеродимер
Обратная ДНК-гираза

(Археи)

Удаляет (-), но не (+) суперспирали
Топоизомераза I

(H. sapiens)

Тип IBУдалите (+) и (-) суперспирали; Расслабляет компенсаторные (-) суперспирали; Создает правосторонние соленоидальные суперспирали; Поддерживает движение вилки во время репликации; Считается, что они похожи по структуре на рекомбиназы тирозина.МономерНетНетSS3'±1
Топоизомераза V

(Археи)[13]

Тип ICРасслабляет (+) и (-) суперспирали. Участвует в репарации ДНК. В UniProt: F1SVL0, Q977W1.МономерНетНетSS3'±1
Топоизомераза II / ДНК-гираза

(Кишечная палочка)

Тип IIAСоздает (-) суперспирали (единственная известная топоизомераза, способная это сделать)ГетеротетрамерДа (Mg2+)даDS5'±2
Топоизомераза IV

(Кишечная палочка)

Расслабляет (-) суперспирали; Роль в декатенацииГетеротетрамер
Топоизомераза IIα

(H. sapiens)

Существенный; Разъединяет переплетенные дочерние дуплексы при репликации; Способствует релаксации ДНК во время транскрипцииГомодимер
Топоизомераза IIβ

(H. sapiens)

Роль в подавлении рекомбинации или поддержке транскрипции в нейронахГомодимер
Топоизомераза VI

(Археи)

Тип IIBРасслабляет (+) и (-) суперспирали; Отвечает за декатенацию промежуточных продуктов репликации; Может быть эксклюзивным для архей.ГетеротетрамерДа (Mg2+)даDS5'±2

Топоизомеразы как I, так и II типа изменяют номер ссылки (L) ДНК. Топоизомеразы типа IA изменяют число связывания на единицу, топоизомеразы типа IB и типа IC изменяют число связывания на любое целое число, тогда как топоизомеразы типа IIA и типа IIB изменяют число связывания на два.[нужна цитата ]

Семейство ДНК-топоизомеразы I типа

Семейство ДНК-топоизомераз типа I состоит из двух подсемейств; тип IA и тип IB. ДНК-топоизомераза типа IA среди различных организмов обычно обладает следующими свойствами: Все ферменты являются мономеры. Фермент разделяет ковалентный взаимодействие 5'-фосфодиэфирной связи в его тирозиновом активном сайте с концом цепи ДНК. Для механизма релаксации сверхспирализации необходим магний (II). В плазмида ДНК, образующиеся отрицательные суперспирали, могут быть субстратами для механизма релаксации, процесса, который еще не завершен. Тип IA также требует открытой одноцепочечной области в субстрате ДНК. В номер ссылки ДНК изменяется с расслаблением. Топоизомераза типа IA может катализировать цепочка, декатенация, завязывание и развязывание ДНК.[2]

В подсемействе топоизомеразы типа IB есть три класса: топоизомераза I у эукариот, топоизомераза V у прокариот и топоизомераза поксвируса. Топоизомеразы подсемейства IB обычно классифицируются по их способности расслаблять как отрицательные, так и положительные реакции. суперспирали, и механизм релаксации завершается (в отличие от типа IA). Они образуют ковалентное взаимодействие через активный центр тирозина на ферменте и 3’-фосфат на цепи ДНК. Механизм релаксации не требует магния (II). Топоизомеразы типа IA и IB в семействе типа I имеют очень четкие различия в своих свойствах.

Семейство ДНК-топоизомеразы типа II

Семейство топоизомераз типа II имеют общие черты и свойства, которые делают их отличными от семейства топоизомераз типа I. Все топоизомеразы ДНК типа II являются димеры. Они связываются с дуплексной ДНК и расщепляют обе цепи, составляя четыре основания. Расщепление осуществляется путем ковалентного взаимодействия между каждой димерной субъединицей и 5’-фосфатом на ДНК, создавая фосфотирозиновую связь. В результате реакции два конца расщепленной ДНК разъединяются - это называется закрытым (G-) сегментом. Транспортируемый (Т-) сегмент, область в том же или другом дуплексе ДНК, проходит через G-сегмент. Это изменяет связующее число, когда ДНК является кольцевой (плазмида). Механизм релаксации требует магния (II) и гидролиза АТФ. Активный сайт, содержащий аминокислотные тирозины, имеет мотив спирали-поворота-спирали, который взаимодействует с кислотными остатками для активации катализа. Прокариотический Топоизомеразы типа II являются гетеротетрамерными. Эукариотический Топоизомеразы типа II гомодимерные. Тип II также лучше справляется с релаксацией ДНК, чем с декатенацией, что означает, что они лучше подходят для снятия топологических стрессов в линейная ДНК против кольцевая ДНК.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ а б c Шампу Дж. Дж. (2001). «Топоизомеразы ДНК: структура, функция и механизм». Ежегодный обзор биохимии. 70: 369–413. Дои:10.1146 / annurev.biochem.70.1.369. PMID  11395412.
  2. ^ а б c Шампу, Джеймс Дж. (2001). «Топоизомеразы ДНК: структура, функции и механизм». Ежегодный обзор биохимии. 70: 369–413. Дои:10.1146 / annurev.biochem.70.1.369. PMID  11395412.CS1 maint: использует параметр авторов (связь)
  3. ^ Хоган CM (2010). "Дезоксирибонуклеиновая кислота". В Draggan S, Cleveland C (ред.). Энциклопедия Земли. Вашингтон, округ Колумбия: Национальный совет по науке и окружающей среде.
  4. ^ Вологодский А (сентябрь 2011). «Разрыв суперскрученных катенанов ДНК топоизомеразами типа IIA». Биофизический журнал. 101 (6): 1403–11. Дои:10.1016 / j.bpj.2011.08.011. ЧВК  3177067. PMID  21943421.
  5. ^ а б Собек С., Боэге Ф (август 2014 г.). «ДНК-топоизомеразы в поддержании мтДНК и старении». Экспериментальная геронтология. 56: 135–41. Дои:10.1016 / j.exger.2014.01.009. PMID  24440386.
  6. ^ Цай Х.З., Лин Р.К., Се Т.С. (апрель 2016 г.). «Митохондриальная топоизомераза III альфа дрозофилы влияет на процесс старения, поддерживая функцию митохондрий и целостность генома». Журнал биомедицинских наук. 23: 38. Дои:10.1186 / s12929-016-0255-2. ЧВК  4828762. PMID  27067525.
  7. ^ Маккарти Д., Миннер С., Бернштейн Н., Бернштейн С. (октябрь 1976 г.). «Скорость удлинения ДНК и распределение точек роста фага Т4 дикого типа и янтарного мутанта с задержкой ДНК». Журнал молекулярной биологии. 106 (4): 963–81. Дои:10.1016/0022-2836(76)90346-6. PMID  789903.
  8. ^ Муфтий С., Бернштейн Х (октябрь 1974 г.). «Задерживающие ДНК мутанты бактериофага Т4». Журнал вирусологии. 14 (4): 860–71. Дои:10.1128 / JVI.14.4.860-871.1974. ЧВК  355592. PMID  4609406.
  9. ^ Miskimins R, Schneider S, Johns V, Bernstein H (июнь 1982). «Участие топоизомеразы в реактивации множественности фага Т4». Генетика. 101 (2): 157–77. ЧВК  1201854. PMID  6293912.
  10. ^ Нойман, Кейр К., Соль, Ёни (ноябрь 2016 г.). «Динамическое взаимодействие топоизомераз ДНК и топологии ДНК». Биофизические обзоры. 8 (Дополнение 1): 101–111. Дои:10.1007 / s12551-016-0240-8. ЧВК  5418509. PMID  28510219.CS1 maint: использует параметр авторов (связь)
  11. ^ Помье И, Лео Э, Чжан Х, Маршан С. (май 2010 г.). «ДНК-топоизомеразы и их отравление противоопухолевыми и антибактериальными препаратами». Химия и биология. 17 (5): 421–33. Дои:10.1016 / j.chembiol.2010.04.012. PMID  20534341.
  12. ^ Ван Дж.С. (апрель 1991 г.). «ДНК-топоизомеразы: почему так много?». Журнал биологической химии. 266 (11): 6659–62. PMID  1849888.
  13. ^ а б Бейкер Н.М., Раджан Р., Мондрагон А. (февраль 2009 г.). «Структурные исследования топоизомераз I типа». Исследования нуклеиновых кислот. 37 (3): 693–701. Дои:10.1093 / nar / gkn1009. ЧВК  2647283. PMID  19106140.

дальнейшее чтение

  • Ван Дж.С. (2009). Распутывая двойную спираль: переплетение ДНК и действие топоизомераз ДНК. Колд-Спринг-Харбор: Лаборатория Колд-Спринг-Харбор. п. 245. ISBN  978-0-87969-879-9.

внешняя ссылка