ДНК-гираза , или просто гираза , представляет собой фермент в классе топоизомераз и является подклассом топоизомераз типа II [1], который снижает топологическую деформацию АТФ-зависимым образом, в то время как двухцепочечная ДНК разматывается за счет удлинения РНК-полимеразы [2] ] или с помощью геликазы перед прогрессирующей вилкой репликации . [3] [4] Фермент вызывает отрицательную суперспирализацию.ДНК или расслабляет положительные суперспирали. Он делает это путем зацикливания матрицы, чтобы сформировать перекресток, затем разрезая одну из двойных спиралей и пропуская через нее другую, прежде чем освободить разрыв, изменяя число связей на два на каждой ферментативной стадии. Этот процесс происходит у бактерий , чья одиночная кольцевая ДНК разрезается ДНК-гиразой, а затем два конца скручиваются друг с другом, образуя суперспирали. Гираза также обнаружена в пластидах эукариот : она была обнаружена в апикопласте малярийного паразита Plasmodium falciparum [5] [6] и в хлоропластах некоторых растений. [7] Бактериальная ДНК-гираза является целью многихантибиотики , включая налидиксовую кислоту , новобиоцин и ципрофлоксацин .
ДНК-гираза | ||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Идентификаторы | ||||||||
ЕС нет. | 5.99.1.3 | |||||||
Базы данных | ||||||||
IntEnz | Просмотр IntEnz | |||||||
BRENDA | BRENDA запись | |||||||
ExPASy | Просмотр NiceZyme | |||||||
КЕГГ | Запись в KEGG | |||||||
MetaCyc | метаболический путь | |||||||
ПРИАМ | профиль | |||||||
Структуры PDB | RCSB PDB PDBe PDBsum | |||||||
|
Уникальная способность гиразы вводить отрицательные суперспирали в ДНК за счет гидролиза АТФ [1] - это то, что позволяет бактериальной ДНК иметь свободные отрицательные суперспирали. Способность гиразы расслаблять положительные суперспирали вступает в игру во время репликации ДНК и прокариотической транскрипции . Спиральная природа ДНК заставляет положительные суперспирали накапливаться перед транслоцирующим ферментом, в случае репликации ДНК - ДНК-полимеразой . Способность гиразы (и топоизомеразы IV ) расслаблять положительные суперспирали позволяет высвободить сверхспиральное натяжение перед полимеразой, так что репликация может продолжаться.
Структура гираза
ДНК-гираза - это тетрамерный фермент, который состоит из 2 субъединиц GyrA («A») и 2 GyrB («B»). [8] Структурно комплекс образован 3 парами «ворот», последовательное открытие и закрытие которых приводит к прямому переносу сегмента ДНК и введению 2 отрицательных суперспиралей. N-ворота образованы АТФазными доменами субъединиц GyrB. Связывание 2 молекул АТФ приводит к димеризации и, следовательно, закрытию ворот. Гидролиз, наоборот, их открывает. Расщепление и воссоединение ДНК осуществляется каталитическим центром, расположенным в воротах ДНК, построенных всеми субъединицами гиразы. C-ворота образованы субъединицами GyrA. [9]
Механохимическая модель гиразной активности
Исследование одной молекулы [10] охарактеризовало активность гиразы как функцию натяжения ДНК (приложенной силы) и АТФ и предложило механохимическую модель. При связывании с ДНК (состояние «гираза-ДНК») возникает конкуренция между обертыванием ДНК и диссоциацией, где увеличение натяжения ДНК увеличивает вероятность диссоциации. Согласно предложенному каталитическому циклу, связывание 2 молекул АТФ вызывает димеризацию АТФазных доменов субъединиц GyrB и захват Т-сегмента ДНК (Т- от передачи ) в полости между субъединицами GyrB. На следующем этапе фермент расщепляет G-сегмент ДНК (G- от ворот ), образуя двухцепочечный разрыв . Затем Т-сегмент переносится через разрыв, что сопровождается гидролизом первой молекулы АТФ. ДНК-гираза лигирует разрыв в задней части G-сегмента, и Т-сегмент, наконец, покидает ферментный комплекс. Гидролиз второго АТФ возвращает систему к начальному этапу цикла. [11] В результате каталитического цикла две молекулы АТФ гидролизуются, и две отрицательные суперспирали вводятся в матрицу ДНК. Количество суперспиральных витков, введенных в первоначально расслабленную кольцевую ДНК, было рассчитано примерно равным количеству молекул АТФ, гидролизуемых гиразой [12]. Таким образом, можно предположить, что две молекулы АТФ гидролизуются за цикл реакции гиразой, что приводит к введению разницы между связями -2. [13]
Специфичность гиразы
Гираза имеет ярко выраженную специфичность к субстратам ДНК. Сильные сайты связывания гиразы (SGS) были обнаружены у некоторых фагов ( группа бактериофагов Mu ) и плазмид ( pSC101 , pBR322 ). Недавно высокопроизводительное картирование сайтов ДНК-гиразы в геноме Escherichia coli с использованием подхода Topo-Seq [2] выявило 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 GC-богатые островки чередуются с AT-богатыми участками с периодом, близким к периоду двойной спирали ДНК (≈10,5 п.н.). Эти две области соответствуют связыванию ДНК С-концевыми доменами субъединиц GyrA и напоминают эукариотический мотив связывания нуклеосомы. [2]
Подавление антибиотиками
Гираза присутствует в прокариотах и некоторых эукариотах, но ферменты не совсем схожи по структуре или последовательности и имеют разное сродство к разным молекулам. Это делает гиразу хорошей мишенью для антибиотиков . Два класса антибиотиков, которые ингибируют гиразу, это:
- В аминокумарины (включая новобиоцин и кумермицин А1 ), которые работают путем конкурентного ингибирования энергетической трансдукции ДНК - гиразы путем связывания с активным участком АТФазы на субъединицу GyrB. [14] [15]
- В хинолонах (включая налидиксовую кислоту и ципрофлоксацин ) известны как топоизомеразы яды. Связываясь с ферментом, они захватывают его на переходной стадии каталитического цикла, предотвращая воссоединение G-сегмента. Это приводит к накоплению двухцепочечных разрывов , остановке репликационных вилок и гибели клеток. Хинолон-резистентные бактерии часто содержат мутировавшие топоизомеразы, которые сопротивляются связыванию хинолонов.
Субъединица А селективно инактивируется антибиотиками, такими как оксолиновая и налидиксовая кислоты. Субъединица B селективно инактивируется антибиотиками, такими как кумермицин A 1 и новобиоцин. Ингибирование любой из субъединиц блокирует активность супервращения. [16]
Фаг Т4
Гены фага Т4 39, 52 и 60 кодируют белки, которые образуют ДНК-гиразу, которая используется для репликации фаговой ДНК во время инфицирования бактериального хозяина E. coli . [17] Белок гена фага 52 имеет гомологию с субъединицей gyrA бактериальной гиразы [18], а белок гена 39 фага имеет гомологию с субъединицей gyrB. [19] Поскольку ДНК-гираза хозяина E. coli может частично компенсировать потерю продуктов гена фага, мутанты, дефектные по генам 39, 52 или 60, не полностью отменяют репликацию ДНК фага, а скорее задерживают ее начало. [17] Мутанты, дефектные по генам 39, 52 или 60, демонстрируют повышенную генетическую рекомбинацию, а также повышенную мутацию с заменой оснований и делецией, что позволяет предположить, что синтез ДНК, компенсированный хозяином, менее точен, чем управляемый фагом дикого типа. [20] Мутант, дефектный по гену 39, также демонстрирует повышенную чувствительность к инактивации ультрафиолетовым излучением на стадии фаговой инфекции после инициации репликации ДНК, когда присутствуют множественные копии фаговой хромосомы . [21]
Смотрите также
- Мотив GyrA РНК
Рекомендации
- ^ a b Гарретт Р.Х., Гришем К.М. (2013). Биохимия (5-е, международное изд.). США: Мэри Финч. п. 949. ISBN 978-1-133-10879-5.
- ^ а б в Сутормин Д, Рубанова Н, Логачева М, Гиларов Д, Северинов К (2018). «Картирование с разрешением одного нуклеотида сайтов расщепления ДНК-гиразы в геноме Escherichia coli» . Исследования нуклеиновых кислот . 47 (3): 1373–1388. DOI : 10.1093 / NAR / gky1222 . PMC 6379681 . PMID 30517674 .
- ^ Wigley DB, Davies GJ , Dodson EJ , Maxwell A, Dodson G (июнь 1991 г.). «Кристаллическая структура N-концевого фрагмента белка ДНК-гиразы B». Природа . 351 (6328): 624–9. Bibcode : 1991Natur.351..624W . DOI : 10.1038 / 351624a0 . PMID 1646964 . S2CID 4373125 .
- ^ Мораис 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. Bibcode : 1997Natur.388..903M . DOI : 10.1038 / 42294 . PMID 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 апикопласт: уникальная собственная активность АТФазы и АТФ-независимая димеризация субъединицы PfGyrB» . Эукариотическая клетка . 6 (3): 398–412. DOI : 10.1128 / ec.00357-06 . PMC 1828931 . PMID 17220464 .
- ^ Дар А., Прусти Д., Мондал Н., Дхар С. К. (ноябрь 2009 г.). «Уникальный участок из 45 аминокислот в домене toprim гиразы B Plasmodium falciparum необходим для его активности» . Эукариотическая клетка . 8 (11): 1759–69. DOI : 10.1128 / ec.00149-09 . PMC 2772398 . PMID 19700639 .
- ^ Эванс-Робертс К., Митченолл Л., Уолл М., Леру Дж., Милн Дж., Максвелл А. (2016). «ДНК-гираза является мишенью для хинолонового препарата ципрофлоксацина в Arabidopsis thaliana» . Журнал биологической химии . 291 (7): 3136–44. DOI : 10.1074 / jbc.M115.689554 . PMC 4751362 . PMID 26663076 .
- ^ Vanden Broeck, A., Lotz, C., Ortiz, J. et al. Крио-ЭМ структура полногонуклеопротеидного комплекса ДНК-гиразы E. coli . Нац Коммуна 10, 4935 (2019). https://doi.org/10.1038/s41467-019-12914-y
- ^ Буш Н., Эванс-Робертс К., Максвелл А. (2015). «ДНК-топоизомеразы». EcoSal Plus . 6 (2). DOI : 10,1128 / ecosalplus.ESP-0010-2014 . PMID 26435256 .
- ^ ГорJ, Брайант Z, камень MD, Nollmann М, Cozzarelli Н.Р., Бустаманте С , "Механохимическая Анализ ДНК - гиразы Использование ротора бисера отслеживания" , Природа 5 января 2006 (Том 439.): 100-104.
- ^ Басу А., Паренте А.С., Брайант З. (2016). «Структурная динамика и механохимическое связывание в ДНК-гиразе» . Журнал молекулярной биологии . 428 (9, часть B): 1833–45. DOI : 10.1016 / j.jmb.2016.03.016 . PMC 5083069 . PMID 27016205 .
- ^ Сугино А., Коццарелли Н. Р. (июль 1980 г.). «Внутренняя АТФаза ДНК-гиразы» . Журнал биологической химии . 255 (13): 6299–306. DOI : 10.1016 / S0021-9258 (18) 43737-4 . PMID 6248518 .
- ^ Рис Р.Дж., Максвелл А. (1991). «ДНК-гираза: структура и функции». Критические обзоры в биохимии и молекулярной биологии . 26 (3–4): 335–75. DOI : 10.3109 / 10409239109114072 . PMID 1657531 .
- ^ Arnaud Ванден Брок, Аластер Г. Макьюэн, Yassmine Chebaro, Ноэль Потье и Valérie Lamour. Журнал медицинской химии, 2019 62 (8), 4225-4231. DOI: 10.1021 / acs.jmedchem.8b01928
- ^ Lamour, V .; Hoermann, L .; Jeltsch, JM; Oudet, P .; Морас, Д. Открытая конформация АТФ-связывающего домена Thermus thermophilus gyrase B. J. Biol. Chem. 2002, 277, 18947–18953, DOI: 10.1074 / jbc.M111740200
- ^ Engle EC, Manes SH, Drlica K (январь 1982 г.). «Дифференциальные эффекты антибиотиков, ингибирующих гиразу» . Журнал бактериологии . 149 (1): 92–8. DOI : 10.1128 / JB.149.1.92-98.1982 . PMC 216595 . PMID 6274849 .
- ^ a b Маккарти Д. Гираза-зависимая инициация репликации ДНК бактериофага Т4: взаимодействия гиразы Escherichia coli с новобиоцином, кумермицином и продуктами гена задержки ДНК фага. J Mol Biol. 1979; 127 (3): 265-283. DOI: 10.1016 / 0022-2836 (79) 90329-2
- ^ Хуанг WM. 52-белковая субъединица ДНК-топоизомеразы Т4 гомологична gyrA-белку гиразы. Nucleic Acids Res. 1986; 14 (18): 7379-7390.
- ^ Хуанг WM. Нуклеотидная последовательность гена топоизомеразы ДНК типа II. Ген бактериофага Т4 39. Nucleic Acids Res. 1986; 14 (19): 7751-7765. DOI: 10.1093 / nar / 14.19.7751
- ^ Mufti S, Bernstein H. Мутанты с задержкой ДНК бактериофага T4. J Virol. 1974; 14 (4): 860-871. DOI: 10.1128 / JVI.14.4.860-871.1974
- ^ Хайман П. Генетика эффекта Лурия-Латарджета в бактериофаге T4: доказательства участия множественных путей репарации ДНК. Genet Res. 1993; 62 (1): 1-9. DOI: 10.1017 / s0016672300031499
Внешние ссылки
- PDBe-KB P0AES4 : обзор всей структурной информации, доступной в PDB для субъединицы A ДНК-гиразы Escherichia coli
- PDBe-KB P0A2I3 : обзор всей структурной информации, доступной в PDB для субъединицы B ДНК-гиразы Salmonella enterica