Topoisomeraser

Den aktuelle version af siden er endnu ikke blevet gennemgået af erfarne bidragydere og kan afvige væsentligt fra den version , der blev gennemgået den 15. august 2022; checks kræver 2 redigeringer .

Topoisomeraser ( eng.  topoisomerase ) - en klasse af enzymer - isomeraser , der påvirker topologien af ​​DNA [1] . Topoisomeraser er i stand til at slappe af supercoiled DNA-molekyler ved at indføre enkelt- eller dobbeltstrengede brud efterfulgt af recovery (ligering) [2] . Men i nogle tilfælde kan topoisomeraser introducere negative supercoils eller catenaner i DNA [3] .

Topoisomeraser blev først beskrevet af Harvard University professor James Wong [4] .

Topoisomeraser, der letter afviklingen af ​​DNA-kæder i en dobbelt helix, spiller en vigtig rolle i processerne med replikation og transkription . Rollen af ​​topoisomeraser i dannelsen af ​​kromatinsløjfer under kromosomkondensation er blevet vist [3] . Integration af viralt DNA i værtskromosomer og andre former for rekombination kræver også tilstedeværelsen af ​​topoisomeraser [5] .

Klassifikation

Afhængigt af virkningsmekanismen opdeles topoisomeraser i type I topoisomeraser, som introducerer enkeltstrengede brud uden at forbruge energi, og type II topoisomeraser, som introducerer dobbeltstrengede brud med ATP -forbrug . En særlig plads blandt topoisomeraser er optaget af DNA-gyrase , som er karakteristisk for E. coli [2] .

Følgende tabel viser hovedtræk ved de forskellige typer topoisomeraser:

Topoisomeraser	IA	IB	IIA	IIB
Behovet for metalioner	Ja	Ikke	Ja	Ja
Afhængighed af ATP	Ikke	Ikke	Ja	Ja
Kløft	ots	ots	dts	dts
Vedhæftningsslut	5'	3'	5'	5'
Ændring af antallet af supercoils	±1	±1	±2	±2

Topoisomeraser I

Topoisomeraser I (EC 5.99.1.2) ermonomere proteiner. De slapper af DNA og introducerer enkeltstrengede brud uden forbrug af ATP. Dette er mekanismen. Indførelsen af ​​enkeltstrengede brud sker på grund afaminosyreresten tyrosin, som udfører etnukleofiltangreb påfosfatgruppenaf ​​DNA, og danner fosfotyrosin [6] . Enzymet selv binder til den frigivne 3'- eller 5'-ende af kæden. Afhængigt af hvilken ende topoisomerasen er knyttet til, er der:

• type IA topoisomeraser , der binder til 5'-enden; fjern kun negativ supercoiling;
• IB-type topoisomeraser , der binder til 3'-enden [7] ; fjern både positiv og negativ supercoiling [2] .

En sådan virkningsmekanisme kræver ikke energiforbrug, det vil sige, at ATP ikke forbruges under driften af ​​type I topoisomeraser [6] . Antallet af omdrejninger ændres med 1 [3] .

Den første type I topoisomerase, som allerede bemærket, blev isoleret i E. coli-celler . Topoisomeraser af denne type blev opdaget i 1972 i pattedyrceller og efterfølgende i gærceller . Type I topoisomeraser er kendt i archaea, for eksempel IA-topoisomerasen fra den termofile archaea Desulfurococcus amylolyticus , såvel som i nogle vira, for eksempel koppevirus [7] .

Topoisomeraser II

Topoisomeraser II (EC 5.99.1.3) fungerersom tetramererprokaryotersomdimerereukaryoter. De udfører ATP-afhængig spaltning af begge DNA-strenge efterfulgt af overførsel af strenge gennem mellemrummet og ligering heraf. Spaltningen skyldes bindingen af ​​topoisomerase-tyrosiner til DNA for at danne to 5'-phosphodiesterbindinger. Et andet dobbeltstrenget DNA passerer ind i bruddet. Således ændres antallet af positive eller negative superspoler med 2 (og ikke med 1, som i topoisomeraser I). Således kan topoisomeraser II kæde og dekatenere DNA-knuder. Denne type DNA-gyrase introducerer negative supercoils [8] .

Topoisomeraser II er ligesom topoisomeraser I opdelt i 2 grupper: IIA og IIB . Imidlertid afslørede analyse af strukturerne af topoisomeraserne IA, IIA og IIB deres store strukturelle lighed, især tilstedeværelsen af ​​en speciel fold til binding til metalioner [9] .

Forskellige topoisomeraser

Følgende tabel karakteriserer kort topoisomeraser fra forskellige klasser isoleret fra forskellige organismer [9] .

Topoisomerase	Type	organisme	Størrelse (kDa) og struktur af underenheden	Ejendommeligheder
Bakteriel topoisomerase I (ω-protein)	IA	Bakterier (inklusive E. coli )	97; monomer	Ude af stand til at slappe af positive supercoils
Eukaryot topoisomerase I	IB	Eukaryoter (inklusive mennesker)	91; monomer	Kan slappe af både positive og negative supercoils
Topoisomerase I af vacciniavirus	IB	vaccinia virus	37; monomer	ATP stimulerer enzymaktivitet
Topoisomerase III	IA	Bakterier (inklusive E. coli )	73; monomer	Har stærk dekateneringsaktivitet
Omvendt gyrase	IA	Termofile archaea (inklusive Sulfolobus acidocaldarius	143; monomer	Kan ATP-afhængigt indføre positive supercoils i DNA
DNA gyrase	IIA	Bakterier (inklusive E. coli ), nogle lavere eukaryoter	97 og 99 A 2 B 2	Kan ATP-afhængigt indføre negative supercoils i DNA
T4-topoisomerase	IIA	Fag T4	58, 51 og 18; 2 kopier af hver underenhed	Afslapper DNA, men superspoler ikke (ATP-afhængig)
Eukaryot topoisomerase II	IIA	Eukaryoter (inklusive mennesker)	174; homodimer	Afslapper DNA, men superspoler ikke (ATP-afhængig)
Topoisomerase IV	IIA	Bakterier (inklusive E. coli )	84 og 70 C 2 E 2	Afslapper DNA, men superspoler ikke, stærk decatenase (ATP-afhængig)
Topoisomerase VI	IIB	Archaea (inklusive Sulfolobus shibatae )	45 og 60 A 2 B 2	Afslapper DNA, men superspoler ikke (ATP-afhængig)

Medicinsk betydning

Topoisomeraser spiller en vigtig rolle i processerne for cellevækst og deling , og derfor er de ofte mål for forskellige lægemidler [9] - hæmmere af topoisomeraser .

Så DNA-gyrase og topoisomerase IV tæt på det er mål for to hovedgrupper af antibakterielle lægemidler: quinoloner og coumariner . Quinoloner (inklusive nalidixinsyre og ciprofloxacin ) blokerer formodentlig ruptur- og ligeringstrinnet af gyrase. Coumariner (herunder novobiocin og cumermicin A 1 ) virker på en helt anden måde: de blokerer hydrolysen af ​​ATP af gyrase [9] .

Eukaryote topoisomeraser er også mål for mange lægemidler, især lægemidler mod kræft . For eksempel virker anticancer-lægemidlet camptothecin , hvis derivater er meget brugt i anticancer-kemoterapi , på human topoisomerase I på samme måde som quinoloner virker på gyrase [9] .

Ud over at være mål for antibiotika og kræftlægemidler kan topoisomeraser også fungere som mål for toksiner . Det bakterielle toksin Ccdb virker således på gyrase. Ccdb er et lille 11,7 kDa protein. Det er en del af toksin-antitoksin-systemet, der danner et kompleks med et andet protein, Ccda, og spiller en rolle i stabiliseringen af ​​E. coli F-plasmidet . Tabet af F-plasmidet fører til tabet af den relativt ustabile Ccda. Som et resultat frigives Ccdb, blokerer gyrase og dræber derved værtscellen. Studiet af virkningsmekanismen for sådanne toksiner kan give nye ideer til udviklingen af ​​nye inhibitorer af gyrase [9] .

Følgende tabel giver information om forskellige topoisomerasehæmmere [9] :

Inhibitor	Topoisomerase-mål	Terapeutisk handling
Quinoloner (inklusive ciprofloxacin )	DNA-gyrase og topoisomerase IV	Effektive antibakterielle midler
Coumariner (herunder novobiocin )	DNA-gyrase og topoisomerase IV	Antibiotika , men ikke udbredt
Camptothecins (inklusive topotecan )	Human topoisomerase I	Lægemidler mod kræft
Amsacrine (mAMSA)	Human topoisomerase II	Lægemidler mod kræft
Podophyllotoksiner (herunder teniposid )	Human topoisomerase II	Lægemidler mod kræft

Noter

1. ↑ Champoux JJ DNA-topoisomeraser: struktur, funktion og mekanisme   // Annu . Rev. Biochem. : journal. - 2001. - Bd. 70 . - s. 369-413 . - doi : 10.1146/annurev.biochem.70.1.369 . — PMID 11395412 .
2. ↑ 1 2 3 Konichev, Sevastyanova, 2012 , s. 99.
3. ↑ 1 2 3 Konichev, Sevastyanova, 2012 , s. 100.
4. ↑ National Academy of Sciences: NAS Award in Molecular Biology (link ikke tilgængeligt) . National Academy of Sciences. Dato for adgang: 7. januar 2009. Arkiveret fra originalen 29. december 2010. (ubestemt) 
5. ↑ Zhimulev I. F. Generel og molekylær genetik. - 1. - Novosibirsk: Novosibirsk University Publishing House, 2002. - 459 s. - 2000 eksemplarer.  — ISBN 5761505096 .
6. ↑ 1 2 Arefiev V. A., Lisovenko L. A. DNA-afslappende enzymer // English-Russian Explanatory Dictionary of Genetic Terms. - M . : VNIRO Publishing House, 1995. - ISBN 5-85382-132-6 .
7. ↑ 1 2 D. V. Bugreev, G. A. Nevinsky . Struktur og virkningsmekanisme af type IA topoisomeraser  // Advances in Biological Chemistry. - 2009. - T. 49 . - S. 129-158 . Arkiveret fra originalen den 21. marts 2014.
8. ↑ Konichev, Sevastyanova, 2012 , s. 99-100.
9. ↑ 1 2 3 4 5 6 7 DNA-topoisomeraser . Dato for adgang: 19. marts 2014. Arkiveret fra originalen 19. marts 2014. (ubestemt)

Se også

• DNA replikation

Litteratur

• James C. Wang (2009) Untangling the Double Helix. DNA Entanglement and the Action of the DNA Topoisomerases , Cold Spring Harbor Laboratory Press, Cold Spring Harbor, NY, 2009. 245 pp. ISBN 9780879698799
• Konichev A.S., Sevastyanova G.A. Molekylærbiologi. - Publishing Center "Academy", 2012. - 400 s. — ISBN 978-5-7695-9147-1 .

DNA replikation
Indvielse	prokaryoter præreplikationskompleks Helicases DNAA DNAB T7 Primaza DnaG Eukaryoter præreplikationskompleks Ori-genkendelseskompleks ORC1 ORC2 ORC3 ORC4 ORC5 ORC6 Cdc6 cdt1 Minikromosom vedligeholdelseskompleks MCM2 MCM3 MCM4 MCM5 MCM6 MCM7 Opløsningsfaktor Autonom replikerende sekvens Proteiner, der binder enkeltstrenget DNA SSBP2 SSBP3 SSBP4 RNase H RNASEH1 RNASEH2A Helikaser : Mcm2-7 Primase : DNA-polymerase α Fælles for pro- og eukaryoter Replikationsoprindelse / Replikon replikationsgaffel haltende og førende kæder Fragmenter af Okazaki primer
Forlængelse	prokaryoter DNA polymerase III holoenzym dnaC dnaE dnaH dnaN dnaQ dnaT dnaX holA holB holC hold hulE replisome ligase Glidebefæstelsesproteiner Topoisomerase DNA gyrase DNA polymerase I fragment af Klenov eukaryoter Replikationsfaktor C RFC1 oscillerende endonukleaser FEN1 Topoisomerase Replikativt protein A RPA1 DNA-polymerase δ POLD1 POLD2 POLD3 POLD4 Glidebefæstelsesproteiner PCNA Fælles for pro- og eukaryoter Processivitet ligase
Afslutning	Telomerer : telomerase TERT TERC DKC1