ДНК-гираза
| ДНК-гираза | |||
|---|---|---|---|
| Идентификаторы | |||
| Номер ЕС. | 5.99.1.3 | ||
| 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 | ||
| |||
ДНК-гираза , или просто гираза , представляет собой фермент класса топоизомераз и является подклассом топоизомераз типа II. [1] который уменьшает топологическую деформацию АТФ-зависимым образом, в то время как двухцепочечная ДНК раскручивается за счет удлинения РНК-полимеразы [2] или с помощью геликазы перед прогрессирующей репликационной вилкой . [3] [4] Это единственный известный фермент, который активно способствует отрицательной сверхспирализации ДНК, а также способен расслаблять положительные суперспирали. Он делает это, закольцовывая шаблон, образуя пересечение, затем разрезая одну из двойных спиралей и пропуская через нее другую, прежде чем освободить разрыв, изменяя число связывания на два на каждом ферментативном этапе. Этот процесс происходит у бактерий , чья единственная кольцевая ДНК разрезается ДНК-гиразой, а два конца затем скручиваются друг вокруг друга, образуя суперспирали. Гираза также обнаружена в эукариотических пластидах : она обнаружена в апикопласте малярийного паразита Plasmodium falciparum. [5] [6] и в хлоропластах ряда растений. [7] Бактериальная ДНК-гираза является мишенью многих антибиотиков , включая налидиксовую кислоту , новобиоцин , альбицидин и ципрофлоксацин .
Уникальная способность гиразы вводить в ДНК отрицательные суперспирали за счет гидролиза АТФ. [1] это то, что позволяет бактериальной ДНК иметь свободные отрицательные суперспирали. Способность гиразы расслаблять положительные суперспирали проявляется во время репликации ДНК и транскрипции прокариот . Спиральная природа ДНК приводит к накоплению положительных суперспиралей перед транслоцирующим ферментом, в случае репликации ДНК - ДНК-полимеразой . Способность гиразы (и топоизомеразы IV ) расслаблять положительные суперспирали позволяет высвободить сверхспиральное натяжение перед полимеразой, чтобы репликация могла продолжаться.
Структура гиразы
[ редактировать ]
ДНК-гираза представляет собой тетрамерный фермент, состоящий из 2 субъединиц GyrA («А») и 2 субъединиц GyrB («B»). [8] Структурно комплекс образован тремя парами «ворот», последовательное открытие и закрытие которых приводит к прямому переносу сегмента ДНК и внедрению двух отрицательных суперспиралей. N-ворота образованы АТФазными доменами субъединиц GyrB. Связывание двух молекул АТФ приводит к димеризации и, следовательно, закрытию ворот. Гидролиз, наоборот, открывает их. Расщепление и воссоединение ДНК осуществляется каталитическим центром, расположенным в ДНК-воротах, построенных всеми субъединицами гиразы. С-ворота образованы субъединицами GyrA. [9]
Механохимическая модель активности гиразы
[ редактировать ]
Исследование одной молекулы [10] охарактеризовал активность гиразы как функцию напряжения ДНК (приложенной силы) и АТФ и предложил механохимическую модель. При связывании с ДНК (состояние «Гираза-ДНК») возникает конкуренция между обертыванием ДНК и диссоциацией, при которой увеличение напряжения ДНК увеличивает вероятность диссоциации. Согласно предложенному каталитическому циклу связывание двух молекул АТФ вызывает димеризацию АТФазных доменов субъединиц GyrB и захват Т-сегмента ДНК (Т- от переносящего ) в полости между субъединицами GyrB. На следующем этапе фермент расщепляет G-сегмент ДНК (G- от ворот ), делая двухцепочечный разрыв . Затем Т-сегмент переносится через разрыв, что сопровождается гидролизом первой молекулы АТФ. ДНК-гираза лигирует разрыв G-сегмента обратно, и Т-сегмент окончательно покидает ферментный комплекс. Гидролиз второй АТФ возвращает систему к начальной стадии цикла. [11] В результате каталитического цикла две молекулы АТФ гидролизуются и в матрицу ДНК внедряются две отрицательные суперспирали. Подсчитано, что число суперспиральных витков, введенных в первоначально релаксированную кольцевую ДНК, примерно равно числу молекул АТФ, гидролизованных гиразой. [12] Следовательно, можно предположить, что за цикл реакции гиразой гидролизуются две молекулы АТФ, что приводит к введению разницы связывания -2. [13]
Специфичность гиразы
[ редактировать ]Гираза обладает выраженной специфичностью к субстратам ДНК. Сильные сайты связывания гиразы (SGS) были обнаружены у некоторых фагов ( группа бактериофагов Mu ) и плазмид ( pSC101 , pBR322 ). Недавно было проведено высокопроизводительное картирование сайтов ДНК-гиразы в геноме Escherichia coli с использованием подхода Topo-Seq. [2] выявили длинный (≈130 п.н.) и вырожденный мотив связывания, который может объяснить существование SGS. Мотив гиразы отражает обертывание ДНК вокруг ферментного комплекса и гибкость ДНК. Он содержит две периодические области, в которых богатые GC островки чередуются с участками, богатыми АТ, с периодом, близким к периоду двойной спирали ДНК (≈10,5 п.н.). Эти две области соответствуют связыванию ДНК с помощью C-концевых доменов субъединиц GyrA и напоминают эукариотический мотив связывания нуклеосом. [2]
Ингибирование антибиотиками
[ редактировать ]Гираза присутствует у прокариот и некоторых эукариот, но ферменты не совсем схожи по структуре и последовательности и имеют различное сродство к разным молекулам. Это делает гиразу хорошей мишенью для антибиотиков . Два класса антибиотиков, ингибирующих гиразу:
- Аминокумарины . (включая новобиоцин и кумермицин А1 ), которые действуют путем конкурентного ингибирования энергетической трансдукции ДНК-гиразы путем связывания с активным центром АТФазы на субъединице GyrB [14] [15]
- Хинолоны ципрофлоксацин (включая налидиксовую кислоту и ) известны как топоизомеразные яды. Связываясь с ферментом, они удерживают его на переходном этапе каталитического цикла, предотвращая воссоединение G-сегмента. Это приводит к накоплению двухцепочечных разрывов , остановке репликационных вилок и гибели клеток. Бактерии, устойчивые к хинолонам, часто содержат мутированные топоизомеразы, которые устойчивы к связыванию хинолонов.
Субъединица А избирательно инактивируется антибиотиками, такими как оксолиновая и налидиксовая кислоты. Субъединица B избирательно инактивируется антибиотиками, такими как кумермицин А 1 и новобиоцин. Ингибирование любой субъединицы блокирует сверхскручивающую активность. [16]
Фаг Т4
[ редактировать ]39, 52 и 60 фага Т4 Гены кодируют белки, образующие ДНК-гиразу, которая используется в репликации ДНК фага во время заражения бактериального хозяина E. coli . [17] Белок фагового гена 52 гомологичен субъединице gyrA бактериальной гиразы. [18] а белок фагового гена 39 имеет гомологию с субъединицей gyrB. [19] хозяина Поскольку ДНК-гираза E. coli может частично компенсировать потерю продуктов фагового гена, мутанты с дефектами в генах 39, 52 или 60 не полностью отменяют репликацию ДНК фага, а скорее задерживают ее инициацию. [17] Мутанты с дефектами в генах 39, 52 или 60 демонстрируют повышенную генетическую рекомбинацию , а также повышенную мутацию замены оснований и делеции, что позволяет предположить, что компенсируемый хозяином синтез ДНК менее точен, чем синтез, направляемый фагом дикого типа. [20] Мутант с дефектом гена 39 также демонстрирует повышенную чувствительность к инактивации ультрафиолетовым множественные копии фаговой хромосомы . облучением на стадии фаговой инфекции после инициации репликации ДНК, когда присутствуют [21]
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Перейти обратно: а б Гарретт Р.Х., Гришэм К.М. (2013). Биохимия (5-е Международное изд.). США: Мэри Финч. п. 949. ИСБН 978-1-133-10879-5 .
- ^ Перейти обратно: а б с Сутормин Д, Рубанова Н, Логачева М, Гиларов Д, Северинов К (2018). «Картирование с однонуклеотидным разрешением сайтов расщепления ДНК-гиразы в геноме Escherichia coli» . Исследования нуклеиновых кислот . 47 (3): 1373–1388. дои : 10.1093/nar/gky1222 . ПМК 6379681 . ПМИД 30517674 .
- ^ Вигли Д.Б., Дэвис Дж.Дж. , Додсон Э.Дж. , Максвелл А., Додсон Дж. (июнь 1991 г.). «Кристаллическая структура N-концевого фрагмента белка ДНК-гиразы B». Природа . 351 (6328): 624–9. Бибкод : 1991Natur.351..624W . дои : 10.1038/351624a0 . ПМИД 1646964 . S2CID 4373125 .
- ^ Мораиш Кабрал Дж. Х., Джексон А. П., Смит К. В., Шикотра Н., Максвелл А., Лиддингтон Р. К. (август 1997 г.). «Кристаллическая структура домена разрыва-воссоединения ДНК-гиразы» . Природа . 388 (6645): 903–6. Бибкод : 1997Natur.388..903M . дои : 10.1038/42294 . ПМИД 9278055 . S2CID 4320715 .
- ^ Дар М.А., Шарма А., Мондал Н., Дхар С.К. (март 2007 г.). «Молекулярное клонирование генов ДНК-гиразы Plasmodium falciparum, нацеленных на апикопласты: уникальная внутренняя АТФазная активность и АТФ-независимая димеризация субъединицы PfGyrB» . Эукариотическая клетка . 6 (3): 398–412. дои : 10.1128/ec.00357-06 . ПМЦ 1828931 . ПМИД 17220464 .
- ^ Дар А., Прусти Д., Мондал Н., Дхар С.К. (ноябрь 2009 г.). «Уникальная область из 45 аминокислот в домене toprim гиразы B Plasmodium falciparum необходима для ее активности» . Эукариотическая клетка . 8 (11): 1759–69. дои : 10.1128/ec.00149-09 . ПМЦ 2772398 . ПМИД 19700639 .
- ^ Эванс-Робертс К., Митченалл Л., Уолл М., Леру Дж., Милн Дж., Максвелл А. (2016). «ДНК-гираза является мишенью хинолонового препарата ципрофлоксацина в Arabidopsis thaliana» . Журнал биологической химии . 291 (7): 3136–44. дои : 10.1074/jbc.M115.689554 . ПМЦ 4751362 . ПМИД 26663076 .
- ^ Ванден Брук, А., Лотц, К., Ортис, Дж. и др. Крио-ЭМ структура полного нуклеопротеинового комплекса ДНК-гиразы E. coli . Nat Commun 10, 4935 (2019). https://doi.org/10.1038/s41467-019-12914-y
- ^ Буш Н., Эванс-Робертс К., Максвелл А. (2015). «ДНК-топоизомеразы». ЭкоСал Плюс . 6 (2). doi : 10.1128/ecosalplus.ESP-0010-2014 . ПМИД 26435256 .
- ^ Гор Дж., Брайант З., Стоун, доктор медицинских наук, Ноллманн М., Козцарелли Н.Р., Бустаманте С. , «Механохимический анализ ДНК-гиразы с использованием отслеживания шариков ротора» , Nature, 5 января 2006 г. (том 439): 100-104.
- ^ Басу А., Паренте AC, Брайант З. (2016). «Структурная динамика и механохимическое взаимодействие в ДНК-гиразе» . Журнал молекулярной биологии . 428 (9 частей Б): 1833–45. дои : 10.1016/j.jmb.2016.03.016 . ПМК 5083069 . ПМИД 27016205 .
- ^ Сугино А., Коцарелли Н.Р. (июль 1980 г.). «Внутренняя АТФаза ДНК-гиразы» . Журнал биологической химии . 255 (13): 6299–306. дои : 10.1016/S0021-9258(18)43737-4 . ПМИД 6248518 .
- ^ Рис Р.Дж., Максвелл А. (1991). «ДНК-гираза: строение и функции». Критические обзоры по биохимии и молекулярной биологии . 26 (3–4): 335–75. дои : 10.3109/10409239109114072 . ПМИД 1657531 .
- ^ Ванден Брук, Арно; МакИвен, Аластер Г.; Чебаро, Яссмин; Потье, Ноэль; Ламур, Валери (2019). «Структурная основа взаимодействия ДНК-гиразы с кумермицином А1» . Журнал медицинской химии . 62 (8): 4225–4231. doi : 10.1021/acs.jmedchem.8b01928 . ПМИД 30920824 . S2CID 85563957 .
- ^ Ламур, Валери; Херманн, Лоуренс; Йельч, Жан-Марк; Уде, Пьер; Морас, Дино (2002). «Открытая конформация АТФ-связывающего домена гиразы B Thermus thermophilus» . Журнал биологической химии . 277 (21): 18947–18953. дои : 10.1074/jbc.M111740200 . ПМИД 11850422 .
- ^ Энгл Э.К., Манес С.Х., Дрлица К. (январь 1982 г.). «Дифференциальные эффекты антибиотиков, ингибирующих гиразу» . Журнал бактериологии . 149 (1): 92–8. дои : 10.1128/JB.149.1.92-98.1982 . ПМК 216595 . ПМИД 6274849 .
- ^ Перейти обратно: а б Маккарти, Дэвид (1979). «Гиразозависимая инициация репликации ДНК бактериофага Т4: взаимодействие гиразы Escherichia coli с новобиоцином, кумермицином и продуктами генов задержки ДНК фага». Журнал молекулярной биологии . 127 (3): 265–283. дои : 10.1016/0022-2836(79)90329-2 . ПМИД 372540 .
- ^ Хуанг, WM (1986). «52-белковая субъединица ДНК-топоизомеразы Т4 гомологична белку gyrA гиразы» . Исследования нуклеиновых кислот . 14 (18): 7379–7390. ПМК 311757 . ПМИД 3020513 .
- ^ Хуан, Вай Мун (1986). «Нуклеотидная последовательность гена ДНК-топоизомеразы типа II. Ген 39 бактериофага Т4» . Исследования нуклеиновых кислот . 14 (19): 7751–7765. дои : 10.1093/нар/14.19.7751 . ПМК 311794 . ПМИД 3022233 .
- ^ Муфтий Сирадж; Бернштейн, Харрис (1974). «Мутанты с задержкой ДНК бактериофага Т4» . Журнал вирусологии . 14 (4): 860–871. doi : 10.1128/JVI.14.4.860-871.1974 . ПМЦ 355592 . ПМИД 4609406 .
- ^ Хайман, Пол (1993). «Генетика эффекта Лурии-Латарже в бактериофаге Т4: доказательства участия множественных путей репарации ДНК» . Генетические исследования . 62 (1): 1–9. дои : 10.1017/s0016672300031499 . ПМИД 8405988 .
