DNA-gyras

Den aktuella versionen av sidan har ännu inte granskats av erfarna bidragsgivare och kan skilja sig väsentligt från versionen som granskades den 11 mars 2022; verifiering kräver 1 redigering .

DNA-gyras (eller helt enkelt gyras ) är ett enzym av bakterien E. coli och andra prokaryoter , tillhör gruppen topoisomeraser . Som en typisk representant för klass II topoisomeraser introducerar DNA-gyras tillfälliga dubbelsträngsbrott i DNA under den katalytiska cykeln. En unik egenskap hos DNA-gyras är förmågan att målmedvetet introducera negativa superspolar i DNA- molekyler med hjälp av energin från ATP -hydrolys .

År 2007 beskrevs gyras i den parasitiska protozoen Plasmodium falciparum i phylum Apicomplexa [1] . Giras har också hittats i kloroplaster och mitokondrier hos vissa växter [2] .

Bakteriellt DNA-gyras är nödvändigt för genomförandet av de viktigaste cellulära processerna - replikation , celldelning , transkription [3] . Det är målet för många antibiotika , såsom nalidixinsyra , novobiocin och ciprofloxacin .

DNA-gyras beskrevs av M. Gellert et al 1976 [4] .

Struktur

DNA-gyras är ett tetrameriskt enzym som består av två A (GyrA) och två B-subenheter (GyrB). Strukturellt bildas komplexet av tre par "grindar", vars sekventiell öppning och stängning leder till riktad överföring av ett DNA-segment och införandet av två negativa superspolar. N-grindar bildas av ATPas -domäner av B-subenheter. Bindningen av två ATP-molekyler stimulerar dimerisering och följaktligen stängningen av N-porten, medan hydrolysen av ATP till ADP , tvärtom, stimulerar öppningen av porten. DNA-porten innehåller ett katalytiskt centrum som reversibelt introducerar ett dubbelsträngat brott i DNA, och som bildas av enzymets alla subenheter. C-porten består endast av A-subenheterna av gyras [5] . A- och B-subenheterna av DNA-gyras är homologa med C- och E - proteinerna i topoisomeras IV , såväl som till de C- och N-terminala domänerna av eukaryot topoisomeras II , respektive [6] .

Mekanism

För närvarande anses verkningsmekanismen för DNA-gyras, kallad strängpassagemekanismen, vara allmänt accepterad. Enligt denna modell interagerar DNA-gyras med två funktionella regioner av DNA, T- och G-segment. I det första steget länkar enzymet G-segmentet och lindar DNA:t runt sig och bildar en superspole som motsvarar positiv supercoiling . Nyckelrollen i DNA-inpackning spelas av de C-terminala domänerna av A-subenheterna ( CTD , från de engelska C-terminala domänerna). Fästningen av två ATP - molekyler leder till stängning av N-porten som bildas av enzymets B-subenheter och bindning av DNA T-segmentet. Konformationella omarrangemang av komplexet orsakar hydrolys av den första ATP -molekylen och klyvning av G-segmentet på grund av attacken av fosfodiesterbindningar i nukleinsyran av tyrosiner i DNA-gyrasens katalytiska centrum . I nästa steg förs T-segmentet genom dubbelsträngsbrottet i G-segmentet och G-segmentet stängs tillbaka. I slutskedet av den katalytiska cykeln lämnar T-segmentet enzymet genom C-porten som bildas av A-subenheterna av gyras och den andra ATP -molekylen hydrolyseras [7] . Införandet av två negativa superspolar uppstår på grund av inversionen av superspolens tecken: en positiv superspole som bildas i början av den katalytiska cykeln på grund av DNA-lindning runt enzymet, styrd av överföringen av T-segmentet genom en dubbel- strängbrott i G-segmentet, övergår i en negativ superspole [8] . I matematiska termer är denna operation ekvivalent med att ändra länkkoefficienten med −2. Enligt vissa uppskattningar når gyrasens hastighet cirka 100 superspolar per sekund [9] .

Specificitet

Det har visats att DNA-gyras har en uttalad specificitet för DNA-sekvenser. Till exempel är starka bindningsställen för enzymet från bakteriofag Mu och vissa plasmider (pSC101, pBR322) kända. Kartläggning av DNA-gyrasbindningsställen i E. coli -genomet med hjälp av Topo-Seq- metoden avslöjade ett långt (130 nt) bindningsmotiv som förklarar förekomsten av starka ställen och reflekterar DNA-lindning runt det enzymatiska komplexet och nukleinsyraflexibiliteten. Analys av motivet avslöjade regioner av DNA som binder till de C-terminala domänerna av A-subenheter, kännetecknat av ett periodiskt nukleotidmönster av AT- och GC-rika regioner med en period nära den för DNA-dubbelhelixen (~10,5 nt) [ 3] . Tidigare har en liknande regelbundenhet i bindningsmotivet hittats för eukaryota nukleosomer , runt vilka DNA också lindas (146 nt, organiserat i 1,8 varv) [10] . Totalt har flera tusen enzymställen hittats i E. coli- genomet [3] .

Biologisk roll

Som visas ovan har gyrase förmågan att koppla av positiva superspolar och ersätta dem med negativa. Detta gör gyras extremt viktigt för cellulära processer under vilka DNA-dubbelhelixavveckling sker, såsom DNA-replikation och transkription . När DNA- eller RNA-polymeras rör sig längs DNA ackumuleras positiva superspolar före enzymet. Spänningen som skapas på detta sätt förhindrar vidare utveckling av enzymet. Detta problem löses med gyras (liksom topoisomeras IV i fallet med replikation), som slappnar av positiva superspolar. Således spelar gyras en viktig roll både i initieringen och förlängningen av processerna för mallsyntes med DNA [8] .

Interaktion med antibiotika

Gyras finns i prokaryoter och vissa eukaryoter, men dessa enzymer har olika aminosyrasekvenser och rumsliga strukturer i olika arter. DNA-gyras saknas hos människor, och därför är det bekvämt att använda det som ett mål för antibiotika. Det finns två klasser av antibiotika som syftar till att hämma gyras:

Aminokumariner (inklusive novobiocin). Deras verkan är baserad på principen om kompetitiv hämning : de binder till ATP-bindningsstället för subenhet B och stör därigenom enzymet.
Kinoloner (inklusive nalidixinsyra och ciprofloxacin). Kinoloner tillhör gruppen "gifter" av topoisomeraser. Genom att binda till gyras förhindrar de enzymet från att utföra DNA G-segmentets stängningsreaktion, vilket leder till ackumulering av dubbelsträngsbrott i nukleinsyran och celldöd. Topoisomeras IV är också känsligt för verkan av kinoloner. Bakterier som är resistenta mot dessa föreningar har muterade enzymer med mindre affinitet för kinoloner.

Invers gyras

Förutom DNA-gyras, som inducerar bildandet av negativa superspolar, finns det också omvänt gyras , vilket orsakar bildandet av positiva superspolar, även med utgifter för ATP -hydrolysenergi . Hittills har omvänt gyras uteslutande hittats i hypertermofila archaea och bakterier, medan DNA-gyras övervägande finns i mesofila bakterier . Flera unika fall har registrerats när båda enzymerna finns i en organism - detta är den hypertermofila bakterien Thermotoga maritima och den hypertermofila archaea Archaeoglobus fulgidus [6] . Närvaron av omvänd gyras i termofila arkaer är associerad med närvaron av genetiska element ( plasmider , viralt DNA) i dem i en unik positivt vriden form, medan plasmiderna från mesofila arkaer och bakterier är negativt vridna. Man tror att positiv supercoiling dessutom stabiliserar DNA-dubbelhelixen och förhindrar termisk denaturering av nukleinsyran vid förhöjda temperaturer [11] .

Omvänt gyras är en unik kombination av klassisk typ I topoisomeras och ett proteinkomplex med helikasegenskaper [ 6] .