Topoisomeraser

Den aktuella versionen av sidan har ännu inte granskats av erfarna bidragsgivare och kan skilja sig väsentligt från versionen som granskades den 15 augusti 2022; kontroller kräver 2 redigeringar .

Topoisomeraser ( eng.  topoisomerase ) - en klass av enzymer - isomeraser som påverkar topologin av DNA [1] . Topoisomeraser kan slappna av supercoiled DNA-molekyler genom att introducera enkel- eller dubbelsträngsavbrott följt av återhämtning (ligering) [2] . Men i vissa fall kan topoisomeraser introducera negativa supercoils eller katenaner i DNA [3] .

Topoisomeraser beskrevs först av Harvard University professor James Wong [4] .

Topoisomeraser, som underlättar avvecklingen av DNA-kedjor i en dubbelhelix, spelar en viktig roll i processerna för replikation och transkription . Rollen av topoisomeraser i bildandet av kromatinslingor under kromosomkondensation har visats [3] . Integrering av viralt DNA i värdkromosomer och andra former av rekombination kräver också närvaro av topoisomeraser [5] .

Klassificering

Beroende på verkningsmekanismen delas topoisomeraser in i typ I-topoisomeraser, som introducerar enkelsträngsbrytningar utan att förbruka energi, och topoisomeraser av typ II, som introducerar dubbelsträngsbrott med ATP -konsumtion . En speciell plats bland topoisomeraser upptas av DNA-gyras , som är karakteristiskt för E. coli [2] .

Följande tabell listar huvuddragen hos de olika typerna av topoisomeraser:

Topoisomeraser	IA	IB	IIA	IIB
Behovet av metalljoner	Ja	Inte	Ja	Ja
Beroende av ATP	Inte	Inte	Ja	Ja
Glipa	ots	ots	dts	dts
Infästning slut	5'	3'	5'	5'
Ändra antalet superspolar	±1	±1	±2	±2

Topoisomeraser I

Topoisomeraser I (EC 5.99.1.2) ärmonomera proteiner. De slappnar av DNA och introducerar enkelsträngsavbrott utan konsumtion av ATP. Detta är mekanismen. Införandet av enkelsträngsbrott sker på grund avaminosyraresten tyrosin, som utför ennukleofilattack påfosfatgruppenav DNA, och bildar fosfotyrosin [6] . Enzymet i sig binder till den frigjorda 3'- eller 5'-änden av kedjan. Beroende på vilken ände topoisomeraset är fäst vid finns det:

• typ IA topoisomeraser som binder till 5'-änden; ta endast bort negativ supercoiling;
• IB-typ topoisomeraser som binder till 3'-änden [7] ; ta bort både positiv och negativ supercoiling [2] .

En sådan verkningsmekanism kräver inte energiförbrukning, det vill säga att ATP inte förbrukas under driften av typ I-topoisomeraser [6] . Antalet varv ändras med 1 [3] .

Det första topoisomeraset av typ I, som redan noterats, isolerades i E. coli-celler . Topoisomeraser av denna typ upptäcktes 1972 i däggdjursceller och därefter i jästceller . Typ I-topoisomeraser är kända i archaea, till exempel IA-topoisomeraset från den termofila archaea Desulfurococcus amylolyticus , såväl som i vissa virus, till exempel smittkoppsviruset [7] .

Topoisomeraser II

Topoisomeraser II (EC 5.99.1.3) fungerarsom tetramererprokaryotersomdimerereukaryoter. De utför ATP-beroende klyvning av båda strängarna av DNA, följt av överföring av strängar genom gapet och dess ligering. Klyvningen beror på bindningen av topoisomerastyrosiner till DNA för att bilda två 5'-fosfodiesterbindningar. Ytterligare ett dubbelsträngat DNA passerar in i brytningen. Således ändras antalet positiva eller negativa superspolar med 2 (och inte med 1, som i topoisomeraser I). Således kan topoisomeraser II katenera och dekatenera DNA-knutar. Denna typ av DNA-gyras introducerar negativa superspolar [8] .

Topoisomeraser II, liksom topoisomeraser I, delas in i 2 grupper: IIA och IIB . Analys av strukturerna av topoisomeraserna IA, IIA och IIB avslöjade emellertid deras stora strukturella likhet, i synnerhet närvaron av en speciell veck för bindning till metalljoner [ 9] .

Olika topoisomeraser

Följande tabell karakteriserar kortfattat topoisomeraser från olika klasser isolerade från olika organismer [9] .

Topoisomeras	Sorts	organism	Storlek (kDa) och struktur för underenheten	Egenheter
Bakteriellt topoisomeras I (ω-protein)	IA	Bakterier (inklusive E. coli )	97; monomer	Kan inte slappna av positiva superspolar
Eukaryot topoisomeras I	IB	Eukaryoter (inklusive människor)	91; monomer	Kan slappna av både positiva och negativa superspolar
Topoisomeras I från vacciniavirus	IB	vacciniavirus	37; monomer	ATP stimulerar enzymaktivitet
Topoisomeras III	IA	Bakterier (inklusive E. coli )	73; monomer	Har en stark dekateneringsaktivitet
Omvänd gyras	IA	Termofila archaea (inklusive Sulfolobus acidocaldarius	143; monomer	Kan ATP-beroende införa positiva supercoils i DNA
DNA-gyras	IIA	Bakterier (inklusive E. coli ), några lägre eukaryoter	97 och 99 A 2 B 2	Kan ATP-beroende introducera negativa supercoils i DNA
T4-topoisomeras	IIA	Fag T4	58, 51 och 18; 2 kopior av varje underenhet	Avslappnar DNA men superspolar inte (ATP-beroende)
Eukaryot topoisomeras II	IIA	Eukaryoter (inklusive människor)	174; homodimer	Avslappnar DNA men superspolar inte (ATP-beroende)
Topoisomeras IV	IIA	Bakterier (inklusive E. coli )	84 och 70 C2E2	Avslappnar DNA men superspolar inte, starkt dekatenas (ATP-beroende)
Topoisomeras VI	IIB	Archaea (inklusive Sulfolobus shibatae )	45 och 60 A 2 B 2	Avslappnar DNA men superspolar inte (ATP-beroende)

Medicinsk betydelse

Topoisomeraser spelar en viktig roll i processerna för celltillväxt och celldelning , och därför är de ofta mål för olika läkemedel [9] - hämmare av topoisomeraser .

Så DNA-gyras och topoisomeras IV nära det är mål för två huvudgrupper av antibakteriella läkemedel: kinoloner och kumariner . Kinoloner (inklusive nalidixinsyra och ciprofloxacin ) blockerar förmodligen ruptur- och ligeringssteget av gyras. Kumariner (inklusive novobiocin och cumermicin A 1 ) verkar på ett helt annat sätt: de blockerar hydrolysen av ATP genom gyras [9] .

Eukaryota topoisomeraser är också måltavlor för många läkemedel, särskilt läkemedel mot cancer . Till exempel verkar anticancerläkemedlet camptothecin , vars derivat används i stor utsträckning i anticancerkemoterapi , på humant topoisomeras I på samma sätt som kinoloner verkar på gyras [9] .

Förutom att vara måltavlor för antibiotika och cancerläkemedel kan topoisomeraser också fungera som måltavlor för toxiner . Således verkar bakterietoxinet Ccdb på gyras. Ccdb är ett litet 11,7 kDa protein. Det är en del av toxin-antitoxinsystemet och bildar ett komplex med ett annat protein, Ccda, och spelar en roll för att stabilisera E. coli F-plasmiden . Förlusten av F-plasmiden leder till förlusten av den relativt instabila Ccda. Som ett resultat frisätts Ccdb, blockerar gyras och dödar därigenom värdcellen. Studiet av verkningsmekanismen för sådana toxiner kan ge nya idéer för utvecklingen av nya hämmare av gyras [9] .

Följande tabell ger information om olika topoisomerasinhibitorer [9] :

Inhibitor	Topoisomerasmål	Terapeutisk åtgärd
Kinoloner (inklusive ciprofloxacin )	DNA-gyras och topoisomeras IV	Effektiva antibakteriella medel
Kumariner (inklusive novobiocin )	DNA-gyras och topoisomeras IV	Antibiotika men används inte i stor utsträckning
Camptothecins (inklusive topotecan )	Humant topoisomeras I	Läkemedel mot cancer
Amsacrine (mAMSA)	Humant topoisomeras II	Läkemedel mot cancer
Podofyllotoxiner (inklusive teniposid )	Humant topoisomeras II	Läkemedel mot cancer

Anteckningar

1. ↑ Champoux JJ DNA-topoisomeraser: struktur, funktion och mekanism   // Annu . Varv. Biochem. : journal. - 2001. - Vol. 70 . - s. 369-413 . - doi : 10.1146/annurev.biochem.70.1.369 . — PMID 11395412 .
2. ↑ 1 2 3 Konichev, Sevastyanova, 2012 , sid. 99.
3. ↑ 1 2 3 Konichev, Sevastyanova, 2012 , sid. 100.
4. ↑ National Academy of Sciences: NAS-utmärkelse i molekylärbiologi (länk inte tillgänglig) . National Academy of Sciences. Datum för åtkomst: 7 januari 2009. Arkiverad från originalet den 29 december 2010. (obestämd) 
5. ↑ Zhimulev I. F. Allmän och molekylär genetik. - 1. - Novosibirsk: Novosibirsk University Publishing House, 2002. - 459 s. - 2000 exemplar.  — ISBN 5761505096 .
6. ↑ 1 2 Arefiev V. A., Lisovenko L. A. DNA-relaxing enzymes // 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 och verkningsmekanism för typ IA topoisomeraser  // Advances in Biological Chemistry. - 2009. - T. 49 . - S. 129-158 . Arkiverad från originalet den 21 mars 2014.
8. ↑ Konichev, Sevastyanova, 2012 , sid. 99-100.
9. ↑ 1 2 3 4 5 6 7 DNA-topoisomeraser . Datum för åtkomst: 19 mars 2014. Arkiverad från originalet 19 mars 2014. (obestämd)

Se även

• 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. Molecular biology. - Publishing Center "Academy", 2012. - 400 sid. — ISBN 978-5-7695-9147-1 .

DNA-replikation
Initiering	prokaryoter pre-replikationskomplex Helicases DNAA DNAB T7 Primaza DnaG Eukaryoter pre-replikationskomplex Ori igenkänningskomplex ORC1 ORC2 ORC3 ORC4 ORC5 ORC6 Cdc6 cdt1 Minkromosomunderhållskomplex MCM2 MCM3 MCM4 MCM5 MCM6 MCM7 Upplösningsfaktor Autonom replikeringssekvens Proteiner som binder enkelsträngat DNA SSBP2 SSBP3 SSBP4 RNase H RNASEH1 RNASEH2A Helikaser : Mcm2-7 Primas : DNA-polymeras a Gemensamt för pro- och eukaryoter Replikeringsursprung / Replikon replikeringsgaffel eftersläpande och ledande kedjor Fragment av Okazaki primer
Förlängning	prokaryoter DNA-polymeras III-holoenzym dnaC dnaE dnaH dnaN dnaQ dnaT dnaX holA holB holC håll hålE replisome ligas Glidande fästen proteiner Topoisomeras DNA-gyras DNA-polymeras I fragment av Klenov eukaryoter Replikationsfaktor C RFC1 oscillerande endonukleaser FEN1 Topoisomeras Replikativt protein A RPA1 DNA-polymeras δ POLD1 POLD2 POLD3 POLD4 Glidande fästen proteiner PCNA Gemensamt för pro- och eukaryoter Processivitet ligas
Uppsägning	Telomerer : telomeras TERT TERC DKC1