DNA gyrase

Den aktuelle version af siden er endnu ikke blevet gennemgået af erfarne bidragydere og kan afvige væsentligt fra den version , der blev gennemgået den 11. marts 2022; verifikation kræver 1 redigering .

DNA gyrase (eller blot gyrase ) er et enzym af bakterien E. coli og andre prokaryoter , tilhører gruppen af topoisomeraser . Som en typisk repræsentant for klasse II topoisomeraser introducerer DNA-gyrase midlertidige dobbeltstrengsbrud i DNA under den katalytiske cyklus. Et unikt træk ved DNA-gyrase er evnen til målrettet at indføre negative supercoils i DNA- molekyler ved hjælp af energien fra ATP -hydrolyse .

I 2007 blev gyrase beskrevet i den parasitære protozo Plasmodium falciparum af phylum Apicomplexa [1] . Girase er også blevet fundet i kloroplaster og mitokondrier hos nogle planter [2] .

Bakteriel DNA-gyrase er nødvendig for implementeringen af de vigtigste cellulære processer - replikation , celledeling , transkription [3] . Det er målet for mange antibiotika , såsom nalidixinsyre , novobiocin og ciprofloxacin .

DNA-gyrase blev beskrevet af M. Gellert et al. i 1976 [4] .

Struktur

DNA-gyrase er et tetramerisk enzym bestående af to A (GyrA) og to B-underenheder (GyrB). Strukturelt er komplekset dannet af tre par "porte", hvis sekventielle åbning og lukning fører til den rettede overførsel af et DNA-segment og indførelsen af to negative superspoler. N-gates dannes af ATPase -domæner af B-underenheder. Bindingen af to ATP-molekyler stimulerer dimerisering og følgelig lukningen af N-porten, mens hydrolysen af ATP til ADP tværtimod stimulerer åbningen af porten. DNA-porten indeholder et katalytisk center , der reversibelt introducerer et dobbeltstrengsbrud i DNA og dannes af alle underenheder af enzymet. C-porten består kun af A-underenhederne af gyrase [5] . A- og B-underenhederne af DNA-gyrase er homologe med C- og E - proteinerne i topoisomerase IV såvel som til henholdsvis de C- og N-terminale domæner af eukaryotisk topoisomerase II [6] .

Mekanisme

I øjeblikket anses virkningsmekanismen for DNA-gyrase, kaldet strengpassagemekanismen, for generelt accepteret. Ifølge denne model interagerer DNA-gyrase med to funktionelle regioner af DNA-, T- og G-segmenter. I det første trin forbinder enzymet G-segmentet og vikler DNA'et rundt om sig selv og danner en supercoil svarende til positiv supercoiling . Nøglerollen i DNA-indpakning spilles af de C-terminale domæner af A-underenhederne ( CTD , fra de engelske C-terminale domæner). Vedhæftningen af to ATP - molekyler fører til lukning af N-porten dannet af enzymets B-underenheder og binding af DNA T-segmentet. Konformationelle omlejringer af komplekset forårsager hydrolyse af det første ATP -molekyle og spaltning af G-segmentet på grund af angrebet af phosphodiesterbindinger af nukleinsyren af tyrosiner i det katalytiske center af DNA-gyrase. I næste trin føres T-segmentet gennem dobbeltstrengsbruddet i G-segmentet og G-segmentet lukkes tilbage. I det sidste trin af den katalytiske cyklus forlader T-segmentet enzymet gennem C-porten dannet af A-underenhederne af gyrase, og det andet ATP -molekyle hydrolyseres [7] . Introduktionen af to negative superspoler opstår på grund af inversionen af superspolens fortegn: en positiv superspiral dannet i begyndelsen af den katalytiske cyklus på grund af DNA-vikling omkring enzymet, styret af overførslen af T-segmentet gennem en dobbelt- trådbrud i G-segmentet, bliver til en negativ superspole [8] . I matematiske termer svarer denne operation til at ændre koblingskoefficienten med -2. Ifølge nogle skøn når gyrasens hastighed op på omkring 100 superspoler i sekundet [9] .

Specificitet

Det er blevet vist, at DNA-gyrase har en udtalt specificitet for DNA-sekvenser. For eksempel er stærke bindingssteder for enzymet fra bakteriofag Mu og nogle plasmider (pSC101, pBR322) kendt. Kortlægning af DNA-gyrase-bindingssteder i E. coli -genomet ved hjælp af Topo-Seq- metoden afslørede et langt (130 nt) bindingsmotiv, der forklarer eksistensen af stærke steder og afspejler DNA-indpakning omkring det enzymatiske kompleks og nukleinsyrefleksibilitet. Analyse af motivet afslørede regioner af DNA-binding til de C-terminale domæner af A-underenheder, karakteriseret ved et periodisk nukleotidmønster af AT- og GC-rige regioner med en periode tæt på den for DNA-dobbelthelixen (~10,5 nt) [ 3] . Tidligere blev der fundet en lignende regelmæssighed i bindingsmotivet for eukaryote nukleosomer , som DNA også vikler sig om (146 nt, organiseret i 1,8 omdrejninger) [10] . I alt er der fundet flere tusinde enzymsteder i E. coli -genomet [3] .

Biologisk rolle

Som vist ovenfor har gyrase evnen til at slappe af positive superspoler og erstatte dem med negative. Dette gør gyrase ekstremt vigtig for cellulære processer, hvorunder DNA-dobbelthelix-afvikling finder sted, såsom DNA-replikation og transkription . Når DNA eller RNA polymerase bevæger sig langs DNA , akkumuleres positive supercoils foran enzymet. Spændingen, der skabes på denne måde, forhindrer enzymets videre fremgang. Dette problem løses af gyrase (såvel som topoisomerase IV i tilfælde af replikation), som afslapper positive supercoils. Gyrase spiller således en vigtig rolle både i initieringen og forlængelsen af processerne for skabelonsyntese med DNA [8] .

Interaktion med antibiotika

Gyrase er til stede i prokaryoter og nogle eukaryoter, men disse enzymer har forskellige aminosyresekvenser og rumlige strukturer i forskellige arter. DNA-gyrase er fraværende hos mennesker, og derfor er det praktisk at bruge det som et mål for antibiotika. Der er to klasser af antibiotika rettet mod at hæmme gyrase:

Aminocoumariner (herunder novobiocin). Deres virkning er baseret på princippet om kompetitiv hæmning : de binder til ATP-bindingsstedet i underenhed B og forstyrrer derved enzymet.
Quinoloner (inklusive nalidixinsyre og ciprofloxacin). Quinoloner tilhører gruppen af "gifte" af topoisomeraser. Ved at binde sig til gyrase forhindrer de enzymet i at udføre DNA G-segment-lukningsreaktionen, som fører til ophobning af dobbeltstrengsbrud i nukleinsyren og celledød. Topoisomerase IV er også modtagelig for virkningen af quinoloner. Bakterier, der er resistente over for disse forbindelser, har mutante enzymer med mindre affinitet for quinoloner.

Invers gyrase

Ud over DNA-gyrase, som inducerer dannelsen af negative superspoler, er der også omvendt gyrase , som forårsager dannelsen af positive superspoler, også med forbrug af ATP -hydrolyseenergi . Hidtil er omvendt gyrase udelukkende fundet i hypertermofile arkæer og bakterier, mens DNA-gyrase overvejende findes i mesofile bakterier . Der er registreret flere unikke tilfælde, hvor begge enzymer er til stede i én organisme - det er den hypertermofile bakterie Thermotoga maritima og den hypertermofile archaea Archaeoglobus fulgidus [6] . Tilstedeværelsen af omvendt gyrase i termofile archaea er forbundet med tilstedeværelsen af genetiske elementer ( plasmider , viralt DNA) i dem i en unik positivt snoet form, mens plasmiderne af mesofile archaea og bakterier er negativt snoede. Det antages, at positiv supercoiling yderligere stabiliserer DNA-dobbelthelixen og forhindrer termisk denaturering af nukleinsyren ved forhøjede temperaturer [11] .

Omvendt gyrase er en unik kombination af klassisk type I topoisomerase og et proteinkompleks med helicaseegenskaber [ 6] .