Обратная гираза
| Обратная гираза | |||
|---|---|---|---|
 Молекулярные изображения различных классов топоизомераз типа I и типа II. Обратная гираза обозначена меткой «RG» под разделом топоизомеразы типа IA на диаграмме. | |||
| Идентификаторы | |||
| Номер ЕС. | 5.6.2.2 | ||
| Номер CAS. | 143180-75-0 | ||
| Базы данных | |||
| ИнтЭнк | вид IntEnz | ||
| БРЕНДА | БРЕНДА запись | ||
| Экспаси | Просмотр NiceZyme | ||
| КЕГГ | КЕГГ запись | ||
| МетаЦик | метаболический путь | ||
| ПРЯМОЙ | профиль | ||
| PDB Структуры | RCSB PDB PDBe PDBsum | ||
| |||
Обратная гираза — это топоизомераза I типа , которая вводит положительные суперспирали . в ДНК [1] в отличие от типичных отрицательных суперспиралей, создаваемых топоизомеразы II типа ДНК-гиразой . Эти положительные суперспирали могут быть введены в ДНК, которая либо отрицательно сверхспиральна, либо полностью расслаблена. [2] В то время как ДНК-гираза образует тетрамер и способна расщеплять двухцепочечный участок ДНК, обратная гираза может расщеплять только одноцепочечную ДНК. [3] [4] Более конкретно, обратная гираза является членом класса топоизомераз типа IA; наряду со способностью расслаблять отрицательно или положительно сверхспиральную ДНК. [5] (который не требует АТФ [6] [7] ), ферменты типа IA также имеют тенденцию проявлять РНК-топоизомеразную активность. Эти РНК-топоизомеразы помогают предотвратить запутывание более длинных цепей РНК в так называемые «псевдоузлы». Из-за их способности взаимодействовать с РНК считается, что это один из самых древних классов ферментов, обнаруженных на сегодняшний день. [4]
Обратная гираза — АТФ-зависимая топоизомераза. [8] однако с точки зрения активности положительной суперспирали обратная гираза также может расслаблять цепи ДНК без образования положительных суперспиралей за счет взаимодействия с АДФ. [9] В структуру фермента входят как хеликазный домен, отвечающий за разделение нуклеиновых кислот, так и топоизомеразный домен, отвечающий за собственно внедрение клубков в ДНК. Однако механистические исследования показали, что эти два домена имеют тенденцию проявлять слабую активность по отдельности и могут осуществлять эффективную активность позитивной суперспирализации ДНК только при работе в тандеме. [10] [11] Другие исследования также показали, что ферменты обратной гиразы имеют тенденцию более выгодно атаковать области одноцепочечной ДНК по сравнению с двухцепочечной ДНК, что позволяет предположить, что критическая биологическая функция этого фермента заключается в обеспечении постоянной ренатурации расплавленных цепей ДНК, особенно в организмах, которые растут при высокие температуры. [8]
Этот фермент был тщательно охарактеризован на нескольких археях, причем обратная гираза Sulfolobus acidocaldarius была охарактеризована одной из первых. [12] Кроме того, было обнаружено, что все термофильные бактерии и археи содержат по крайней мере один фермент обратной гиразы. Некоторые организмы, например представители типа Crenarchaeota, имеют даже два фермента обратной гиразы: TopR1, который имеет тенденцию быть активным при повышенных температурах, и TopR2, который проявляет активность как при низких, так и при высоких температурах. [4] Другие исключительные организмы включают Nanoarchaeum equitans , чей фермент обратной гиразы имеет тенденцию существовать в природе в виде двух отдельных пептидов, в отличие от типичного мономерного полипептида с доменом топоизомеразы IA и доменом геликазы. [4] [11]
Классификация
[ редактировать ]Как видно из информационного поля выше, обратная гираза обозначена номером ЕС 5.6.2.2. Первая цифра этого кода (5) обозначает принадлежность фермента к изомеразе. [13] Хотя сам фермент имеет как топоизомеразный, так и геликазоподобный домен, как и гиразный, он в первую очередь классифицируется под зонтиком топоизомеразы. Кроме того, цифра 5,6 обозначает эту молекулу как изомеразу, способную изменять конформацию клеточных молекул. [14] В 5.6.2 фермент дополнительно обозначается как способный изменять конформацию нуклеиновой кислоты или ДНК. [15] Наконец, полное обозначение 5.6.2.2 характеризует этот фермент как АТФ-зависимую ДНК-топоизомеразу. [16]
Структура
[ редактировать ]Кристаллическая структура обратной гиразы полностью охарактеризована и получена кристаллическая структура на основе фермента, обнаруженного в Thermotoga maritima . [12]
Активный сайт
[ редактировать ]Обратные гиразы имеют геликазный и топоизомеразный домены. Активный центр, где нуклеотиды связываются ферментом, характеризуется остатками Asp78, Phe75, Gln83, Lys106, Asp203 и Thr107. [12] Предполагается, что субдомены H1 и H2 также обладают способностью связывать нуклеотиды, и цепь ДНК может захватываться этими субдоменами и впоследствии передаваться через топоизомеразный домен фермента для завершения положительной суперспирализации. [12]
Зафиксировать домен
[ редактировать ]Домен фиксации, по-видимому, варьируется у разных видов: размер домена варьируется от 10 до 120 аминокислот. [12] Считается, что защелка действует как механизм контроля, предотвращающий создание топоизомеразным доменом отрицательных суперспиралей и расслабление ДНК, и вместо этого позволяет ферменту создавать положительные суперспирали АТФ-зависимым образом во время стадии прохождения цепи геликазного домена. [5] [17]
Цинковые пальцы
[ редактировать ]Фермент обратной гиразы содержит домен цинкового пальца, где два иона цинка помогают координировать ферментативную функцию. Первый ион цинка удерживается на месте за счет взаимодействия с четырьмя остатками цистеина. [12] Второй ион цинка не всегда обнаруживается в ферментах обратной гиразы. Однако, если они присутствуют, оба иона обнаруживаются вблизи места связывания нуклеиновых кислот. Считается, что эти цинковые пальцы играют роль в первоначальном связывании ДНК и прохождении нитей, но точные механизмы их действия, по-видимому, различаются у разных организмов. [12]
Термофильное значение
[ редактировать ]Организмы, живущие в стандартных условиях температуры и давления, или мезофилы (живущие в диапазоне температур от 20 до 40 °C), как правило, имеют отрицательную сверхспирализацию цепей ДНК. Это помогает уплотнить генетический материал так, чтобы он поместился в клетках-хозяевах (или, в случае эукариотов, в ядерной области клетки). Отрицательная сверхспирализация, также называемая недостаточной намоткой, приводит к скручиванию цепи ДНК против часовой стрелки. Отрицательная сверхспирализация оставляет нити ДНК доступными для различных клеточных процессов, таких как репликация и транскрипция генома, поскольку ДНК обычно необходимо скрутить, чтобы она была денатурирована и доступна соответствующим ферментам. [2]
С другой стороны, термофилы (организмы, которые могут жить при температуре от 40 °C до 122 °C). [18] ), как полагают, поддерживают несколько положительных суперспиралей в своей ДНК, чтобы способствовать поддержанию структурной целостности ДНК при денатурирующем воздействии этих высоких температур. Положительная сверхнамотка, называемая перемоткой, приводит к скручиванию пряди по часовой стрелке. Как было обнаружено ранее, одним из самых больших преимуществ поддержания положительных суперспиралей в цепях ДНК является предотвращение разделения цепей при высоких температурах. [2]
Хотя положительная суперспирализация, безусловно, чаще встречается у термофилов, положительная суперспирализация была обнаружена у мезофильных организмов. Например, теломеры и конденсины могут использовать положительную суперспирализацию как средство внесения вклада в хромосомную структуру. [19] Более того, фермент обратная гираза характерен не только для термофилов. Некоторые ферменты обратной гиразы функционируют даже за пределами термофильных температурных диапазонов, что позволяет предположить, что при мезофильных температурах могут существовать некоторые организмы, которые используют этот фермент. [4]
Механизм суперспирализации
[ редактировать ]
Предполагается, что домены геликазы и топоизомеразы фермента обратной гиразы работают вместе, способствуя положительной сверхспирализации ДНК. Однако точные механизмы действия, по-видимому, различаются у разных организмов. Например, у Sulfolobus solfataricus и Thermotoga maritima наблюдаются противоположные явления с точки зрения геликазной активности: способность хеликазы Sulfolobus solfataricus гидролизовать АТФ, по-видимому, активируется топоизомеразой, тогда как способность Thermotoga maritima к гидролизу АТФ посредством геликазы, по-видимому, снижается из-за домена топоизомеразы. [12]
При связывании с ДНК обратная гираза вызывает изменение структуры посредством левостороннего обертывания, которое более или менее действует как разматывание. [20] В частности, обратная гираза, обнаруженная у S. solfataricus (обратная гираза Crenarchaeota TopR2), инициирует раскручивание примерно 20 пар оснований при связывании со структурой ДНК. [4] При первоначальном связывании с ДНК домен геликазы находится в открытой конформации, а домен IA топоизомеразы - в закрытой конформации. [5] После связывания АТФ со структурой обратной гиразы хеликазный домен закрывается и открывается IA-домен топоизомеразы. Это запускает перемотку 10 из 20 пар оснований в развернутом пузыре, а домен топоизомеразы IA может вызывать положительную суперспирализацию во время прохождения цепи. [5] По мере прохождения цепи домен топоизомеразы IA обратной гиразы способен увеличивать число связей (сколько раз цепь ДНК обертывается вокруг другой цепи) цепи ДНК по мере их ренатурации. [9] После перемотки, вызванной гидролизом АТФ, домены фермента обратной гиразы возвращаются в свое исходное состояние (открытый домен геликазы и закрытый домен топоизомеразы IA), и обратная гираза высвобождается, готовая к связыванию с новой областью ДНК и повторению процесса. [4] [5] [9]
Независимо от различий во взаимодействиях между доменами топоизомеразы и геликазы, в целом все ферменты обратной гиразы претерпевают конформационные изменения, когда нуклеотиды связываются с активным центром. [12]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Кикучи А., Асаи К. (21 июня 1984 г.). «Обратная гираза - топоизомераза, которая вводит положительные суперспиральные повороты в ДНК». Природа . 309 (5970): 677–681. Бибкод : 1984Natur.309..677K . дои : 10.1038/309677a0 . ПМИД 6328327 . S2CID 4242694 .
- ^ Перейти обратно: а б с Фогг Дж. М., Катанийский ди-джей, Рэндалл Г. Л., Свик MC, Зехидрих Л. (2009). Бенхэм С.Дж., Харви С., Олсон В.К., Самнерс В.Л., Свигон Д. (ред.). «Различия между положительно и отрицательно сверхспиральной ДНК, которые могут различать топоизомеразы». Тома IMA по математике и ее приложениям . 150 : 73–121. дои : 10.1007/978-1-4419-0670-0_5 . ISBN 978-1-4419-0669-4 .
- ^ Жаксель К., Надаль М., Мирамбо Дж., Фортер П., Такахаши М., Дюге М. (октябрь 1989 г.). «Обратное связывание гиразы с ДНК изменяет структуру двойной спирали и приводит к одноцепочечному расщеплению в отсутствие АТФ» . Журнал ЭМБО . 8 (10): 3135–3139. дои : 10.1002/j.1460-2075.1989.tb08466.x . ПМК 401394 . ПМИД 2555155 .
- ^ Перейти обратно: а б с д и ж г Гарнье Ф, Кутюрье М, Деба Х, Надаль М (25 мая 2021 г.). «Археи: золотая жила для разнообразия топоизомераз» . Границы микробиологии . 12 : 661411. doi : 10.3389/fmicb.2021.661411 . ПМЦ 8185306 . ПМИД 34113328 .
- ^ Перейти обратно: а б с д и Ян Х, Гарнье Ф, Дебат Х, Стрик Т.Р., Надаль М (май 2020 г.). «Прямое наблюдение взаимодействия хеликазы и топоизомеразы внутри обратной гиразы» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 117 (20): 10856–10864. Бибкод : 2020PNAS..11710856Y . дои : 10.1073/pnas.1921848117 . ПМЦ 7245102 . ПМИД 32371489 .
- ^ «ЕС 5.6.2.1» . Номенклатура ферментов IUBMB . Международный союз биохимии и молекулярной биологии.
- ^ Геллерт М (1981). «ДНК-топоизомеразы». Ежегодный обзор биохимии . 50 : 879–910. дои : 10.1146/annurev.bi.50.070181.004311 . ПМИД 6267993 .
- ^ Перейти обратно: а б Шибата Т., Накасу С., Ясуи К., Кикучи А. (август 1987 г.). «Внутренняя ДНК-зависимая АТФазная активность обратной гиразы» . Журнал биологической химии . 262 (22): 10419–10421. дои : 10.1016/S0021-9258(18)60974-3 . ПМИД 3038879 .
- ^ Перейти обратно: а б с Се Т.С., Планк Дж.Л. (март 2006 г.). «Обратная гираза функционирует как ДНК-ренатураза: отжиг комплементарных одноцепочечных кругов и положительная суперспирализация пузырькового субстрата» . Журнал биологической химии . 281 (9): 5640–5647. дои : 10.1074/jbc.M513252200 . ПМИД 16407212 .
- ^ Декле АС, Марсо Ж, Конфалоньери Ф, де Ла Тур CB, Дюге М (июнь 2000 г.). «Обратная гираза, два домена тесно взаимодействуют, способствуя положительной суперспирализации» . Журнал биологической химии . 275 (26): 19498–19504. дои : 10.1074/jbc.M910091199 . ПМИД 10748189 .
- ^ Перейти обратно: а б Кэпп С., Цянь Ю., Сейдж Х., Хубер Х., Се Т.С. (декабрь 2010 г.). «Отдельная и совместная биохимическая активность субъединиц естественно расщепленной обратной гиразы» . Журнал биологической химии . 285 (51): 39637–39645. дои : 10.1074/jbc.M110.173989 . ПМК 3000944 . ПМИД 20929866 .
- ^ Перейти обратно: а б с д и ж г час я Лулчев П., Клостермайер Д. (июль 2014 г.). «Обратная гираза — последние достижения и современное понимание механизма положительной суперспирализации ДНК» . Исследования нуклеиновых кислот . 42 (13): 8200–8213. дои : 10.1093/nar/gku589 . ПМЦ 4117796 . ПМИД 25013168 .
- ^ «ЭК 5. Изомеразы» . Номенклатура ферментов IUBMB . Международный союз биохимии и молекулярной биологии.
- ^ «ЭК 5.6» . Номенклатура ферментов IUBMB . Международный союз биохимии и молекулярной биологии.
- ^ «EC 5.6.2 Ферменты, изменяющие конформацию нуклеиновой кислоты» . Номенклатура ферментов IUBMB . Международный союз биохимии и молекулярной биологии.
- ^ «5.6.2.2» . Номенклатура ферментов IUBMB . Международный союз биохимии и молекулярной биологии.
- ^ Родригес AC, Stock D (февраль 2002 г.). «Кристаллическая структура обратной гиразы: понимание положительной суперспирализации ДНК» . Журнал ЭМБО . 21 (3): 418–426. дои : 10.1093/emboj/21.3.418 . ПМЦ 125824 . ПМИД 11823434 .
- ^ Такай К., Накамура К., Токи Т., Цуногай У., Миядзаки М., Миядзаки Дж. и др. (август 2008 г.). «Пролиферация клеток при 122 градусах Цельсия и производство изотопно-тяжелого CH4 гипертермофильным метаногеном при культивировании под высоким давлением» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 105 (31): 10949–10954. дои : 10.1073/pnas.0712334105 . ПМК 2490668 . ПМИД 18664583 .
- ^ Валенти А., Перуджино Дж., Росси М., Чиарамелла М. (январь 2011 г.). «Положительная суперспирализация у термофилов и мезофилов: добра и зла». Труды Биохимического общества . 39 (1): 58–63. дои : 10.1042/BST0390058 . ПМИД 21265747 .
- ^ Конфалоньери Ф, Эли С, Надаль М, де Ла Тур С, Фортер П, Дюге М (май 1993 г.). «Обратная гираза: геликазоподобный домен и топоизомераза типа I в одном и том же полипептиде» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 90 (10): 4753–4757. Бибкод : 1993PNAS...90.4753C . дои : 10.1073/pnas.90.10.4753 . ПМК 46591 . ПМИД 8389456 .