Топоизомераза

Топоизомеразы (или ДНК-топоизомеразы ) - это ферменты, которые участвуют в перекручивании или перемотке ДНК. Проблема намотки ДНК возникает из-за переплетенной природы ее двойной спиральной структуры. Во время репликации ДНК и транскрипции ДНК перекручивается перед репликационной вилкой. 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 изменяются, субстрат и продукт ДНК являются химическими изомерами, различающимися только своей глобальной топологией, что и привело к названию этих ферментов. Топоизомеразы - это изомеразы ферменты, которые действуют на топологию ДНК..

Бактериальные топоизомеразы и топоизомеразы человека действуют с помощью аналогичных 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.

• 1 Discovery
• 2 Функция
  • 2.1 Дрожжи
  • 2.2 Высшие эукариоты
  • 2.3 Эубактерии
  • 2.4 Археи
• 3 Топология ДНК
  • 3.1 Топологические проблемы
• 4 Клиническое значение
• 5 Классы
  • 5.1 Семейство ДНК-топоизомеразы типа I
  • 5.2 Семейство ДНК-топоизомеразы типа II
• 6 См. Также
• 7 Ссылки
• 8 Дополнительная литература
• 9 Внешние ссылки

В 1970-х годах Джеймс С. Ван был первым, кто обнаружил топоизомеразу, когда он идентифицировал Топоизомераза E. coli I. Топо-EC-коды следующие: тип I, EC 5.99.1.2 ; тип II: EC 5.99.1.3.

Общая функция топоизомеразы ДНК заключается в управлении 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 ослаблять отрицательные суперспирали, как положительные, так и отрицательные суперспирали, или вызывать положительные и отрицательные 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 перепутывание линейных хромосом.

двойная спиральная конфигурация нитей ДНК затрудняет их разделение, что требуется ферментам геликазы, если другие ферменты должны транскрибировать последовательности которые кодируют белки, или если хромосомы должны быть реплицированы. В кольцевой ДНК, в которой двойная спиральная ДНК изогнута и соединена в круг, две нити топологически связаны или связаны узлами. В остальном идентичные петли ДНК, имеющие разное количество витков, являются топоизомерами и не могут быть преобразованы друг в друга без разрыва цепей ДНК. Топоизомеразы катализируют и направляют развязывание или отсоединение ДНК, создавая временные разрывы в ДНК с использованием консервативного тирозина в качестве каталитического остатка.

Встраивание (вирусной) ДНК в хромосомы и другие формы рекомбинации 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 суперспиральная ДНК обеспечивает резкий изгиб ДНК в первом связанном сегменте ДНК, что позволяет топоизомеразе успешно связываться и, следовательно, осуществлять 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 расщеплению.

Топоизомераза также обнаруживается в митохондриях клеток. Митохондрии генерируют АТФ, а также играют роль в запрограммированной смерти и старении клеток. Митохондриальная ДНК клеток животных представляет собой кольцевую двухцепочечную ДНК, для репликации которой требуется активность топоизомеразы. Классы топоизомеразы, обнаруженные в митохондриях, - это I, IIβ, IIIα.

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 транскрипцией. 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 клетках S. pombe 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 репликационной вилки и расслабляет суперспирали, связанные с транскрипцией. Он также используется для расслабления соленоидных суперспиралей, 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 геликазами соответственно.

эубактерии

E. coli 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 не способна расслаблять положительные суперспирали, но она работает, чтобы поддерживать движение репликационной вилки на плазмидной ДНК in vitro. Он может декатенировать спираль, которая происходит за вилкой репликации, сосредоточив внимание на зарубках в ДНК. Топоизомераза IV является наиболее эффективным декатенационным ферментом E. coli. 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 помогает в создании некоторой отрицательной суперспирализации.

Археи

Сведения о последовательностях генома архей ограничены. Таким образом, 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.

Топология ДНК - это третичные конформации ДНК, такие как суперспирализация, образование 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, скручивая ДНК за ферментом.. 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 по мере того, как репликация ДНК или вилка транскрипции продвигается вперед и увеличивается положительная суперспирализация, нити ДНК все плотнее и плотнее обвиваются вокруг друг друга, что затрудняет продвижение полимеразы вперед. Важно устранить локальную топологию ДНК перед и за полимеразой, чтобы могли продолжаться репликация и деление клеток. Это то, для чего используются топоизомеразы ДНК.

Топологические проблемы

Существует три основных типа топологии:

• Суперспирализация
• Узелки
• Катенация

Вне основных процессы репликации или транскрипции, ДНК должна быть как можно более компактной, и эти три состояния помогают в этом. 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 продвижения пузыря транскрипции ДНК перед вилкой транскрипции перематывается или положительно скручивается, в то время как ДНК позади пузыря транскрипции перематывается или отрицательно скручивается. Когда происходит репликация, ДНК перед репликационным пузырем становится положительно суперспиральной, в то время как ДНК позади репликационной вилки запутывается, образуя прекатенаны. Одна из наиболее существенных 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.

Многие препараты действуют через взаимодействие с топоизомеразами. Фторхинолоновые антибиотики широкого спектра действия действуют, нарушая функцию бактериальных топоизомераз II типа.. Эти низкомолекулярные ингибиторы действуют как эффективные антибактериальные агенты, подавляя естественную способность топоизомеразы создавать разрывы в хромосомной ДНК.

Некоторые химиотерапевтические препараты, называемые ингибиторами топоизомеразы, воздействуют на эукариотические топоизомеразы типа млекопитающих в раковых клетках. 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 вторичным новообразованиям у пациента.

Топоизомераза I является антигеном, распознаваемым Антитела против Scl-70 в склеродермии.

Топоизомеразы могут решить эти топологические проблемы и делятся на два типа в зависимости от количества нитей, разрезанных за один раунд действия: Оба эти классы ферментов используют консервативный тирозин. Однако эти ферменты структурно и механически различны. Чтобы просмотреть видео этого процесса, нажмите здесь.

• A топоизомераза типа I 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, которые не требуют 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 топоизомеразы IIIα и топоизомеразы IIIβ и обратную гиразу. Как и топоизомеразы типа II, топоизомеразы типа IA образуют ковалентный промежуточный продукт с 5'-концом ДНК.
  • Топоизомеразы типа IB, в которых используется управляемый вращательный механизм. Примеры топоизомераз типа IB включают эукариотические и эукариальные вирусные Топоизомеразы I. В прошлом топоизомеразы 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.
  • Идентифицирована топоизомераза типа IC (также называемая топоизомеразой V). Хотя она структурно уникальна от топоизомераз типа IA и IB, она разделяет механизм, аналогичный топоизомеразе типа IB.
• A топоизомераза типа II разрезает обе нити одной двойной спирали ДНК, пропускает через нее другую неразрывную спираль ДНК, а затем повторно лигирует отрезанные пряди. 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 топоизомеразу IIα и топоизомеразу IIβ, бактериальная гираза и топоизомераза IV.
  • топоизомеразы типа IIB, которые включают топоизомеразу VI, обнаруженную в архее.

Топоизомеразы как типа I, так и типа II изменяют число связей (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.

ДНК-топоизомеразы типа I

Семейство ДНК-топоизомераз типа I состоит из двух подсемейств; тип IA и тип IB. ДНК-топоизомераза типа IA среди различных организмов обычно имеет следующие свойства: все ферменты являются мономерами. Фермент разделяет ковалентное взаимодействие 5'-фосфодиэфирной связи в его тирозиновом активном сайте с концом цепи ДНК. Для механизма релаксации сверхспирализации необходим магний (II). В плазмидной ДНК полученные отрицательные суперспирали могут быть субстратами для механизма релаксации, процесса, который не доходит до завершения. Тип IA также требует открытой одноцепочечной области в субстрате ДНК. Связующее число ДНК изменяется при релаксации. Топоизомераза типа IA может катализировать связывание, связывание и распутывание узлов ДНК.

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 релаксировать как отрицательно, так и положительно, 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-топоизомераз типа II

Семейство топоизомераз типа II имеют общие черты и свойства, которые делают их отличными от семейства типа I. Все топоизомеразы ДНК типа II являются димерами. Они связываются с дуплексной ДНК и расщепляют обе цепи, составляя четыре основания. Расщепление осуществляется за счет 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. Прокариотические топоизомеразы типа II являются гетеротетрамерными. Эукариотические топоизомеразы типа II являются гомодимерными. Тип II также лучше справляется с релаксацией ДНК, чем с декатенацией, что означает, что они лучше подходят для снятия топологических стрессов в кольцевой ДНК.

• Топология ДНК
• Суперспираль
• Топоизомераза I типа
• Топоизомераза II типа
• Топоизомераза I
• Топоизомераза IIα
• Топоизомераза IIβ
• Топоизомераза IIIα
• Топоизомераза IIIβ

• Wang JC (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.

На Викискладе есть материалы, связанные с топоизомеразами ДНК.

• ДНК + топоизомеразами в Национальной медицинской библиотеке США Медицинские предметные рубрики (MeSH)