Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
ДНК-топоизомераза I, N-концевой (некаталитический), вирусный
PDB 1vcc EBI.jpg
амино-концевой домен 9kda ДНК топоизомеразы i вируса осповакцины, остатки 1-77, экспериментальная электронная плотность для остатков 1-77
Идентификаторы
СимволVirDNA-topo-I_N
PfamPF09266
ИнтерПроIPR015346
SCOP21vcc / SCOPe / SUPFAM
Доступные белковые структуры:
Pfam  структуры / ECOD  
PDBRCSB PDB ; PDBe ; PDBj
PDBsumрезюме структуры

В молекулярной биологии топоизомеразы типа I - это ферменты, которые разрезают одну из двух цепей двухцепочечной ДНК, расслабляют цепь и повторно отжигают цепь. Кроме того, они подразделяются на две структурно и механически отличные топоизомеразы: тип IA и тип IB.

  • Топоизомеразы типа IA изменяют связующее число кольцевой цепи ДНК строго на единицу.
  • Топоизомеразы типа IB изменяют связующее число на 1 (n).

Исторически топоизомеразы типа IA называют прокариотическим топо I, а топоизомеразы типа IB называют эукариотической топоизомеразой. Однако это различие больше не применяется, поскольку топоизомеразы типа IA и IB существуют во всех сферах жизни.

Функционально эти подклассы выполняют очень специализированные функции. Прокариотическая топоизомераза I (topo IA) может расслаблять только отрицательную суперспиральную ДНК, тогда как эукариотическая топоизомераза I (topo IB) может вводить положительные суперспирали, разделяя ДНК дочерних хромосом после репликации ДНК, и расслаблять ДНК.

Функция [ править ]

Эти ферменты имеют несколько функций: удаление суперспиралей ДНК во время транскрипции и репликации ДНК ; на разрыв цепи во время рекомбинации ; для конденсации хромосом ; и распутывать переплетенную ДНК во время митоза . [1] [2]

Структура [ править ]

Этот домен предполагает бета (2) -альфа-бета-альфа-бета (2) складку с левосторонним кроссовером между цепями бета2 и бета3. Он имеет четыре перекрещенных бета-нити, окруженных четырьмя альфа-спиралями, которые расположены в складке Россмана [3]

Механизмы [ править ]

Топоизомеразы типа I являются АТФ- независимыми ферментами (за исключением обратной гиразы ) и могут быть подразделены в соответствии с их структурой и механизмами реакции: тип IA (бактериальная и архейная топоизомераза I, топоизомераза III и обратная гираза) и тип IB (эукариотическая топоизомераза I и топоизомераза V). Эти ферменты в первую очередь отвечают за расслабление положительной и / или отрицательной суперспирали ДНК, за исключением обратной гиразы, которая может вводить положительные суперспирали в ДНК.

Топоизомеразы ДНК регулируют количество топологических связей между двумя нитями ДНК (т. Е. Изменяют количество суперспиральных витков), катализируя кратковременные одно- или двухцепочечные разрывы, пересекая цепи друг с другом, а затем повторно закрывая разрывы. [4]

Классы [ править ]

ДНК-топоизомеразы делятся на два класса: ферменты типа I ( ЭК ; топоизомеразы I, III и V) разрушают одноцепочечную ДНК, а ферменты типа II ( ЭК ; топоизомеразы II, IV и VI) разрушают двухцепочечную ДНК. [5]

Топоизомеразы типа IA [ править ]

Структура topo III, связанного с одноцепочечной ДНК (pdb ID 1I7D). Обратите внимание, что ДНК напоминает ДНК B-формы.

Введение [ править ]

Топоизомеразы типа IA, исторически считавшиеся обнаруженными у прокариот, создают единственный разрыв в ДНК и пропускают вторую цепь или дуплекс через разрыв. Этот механизм прохождения цепи имеет несколько общих черт с топоизомеразами типа IIA. Оба они образуют 5'-фосфотирозиновый промежуточный продукт, и для его работы требуется ион двухвалентного металла. В отличие от топоизомераз типа II, топоизомеразы типа IA не используют энергию для выполнения своей работы (за заметным исключением обратной гиразы, см. Ниже).

Структура [ править ]

Топоизомеразы типа IA имеют несколько доменов, часто номер 1-4. Домен I содержит домен Toprim (складка Россмана, которая, как известно, координирует ионы магния), домен IV и домен III, каждый из которых состоит из домена спираль-поворот-спираль (HTH); каталитический тирозин находится на HTH домена III. Домен II - это гибкий мост между доменами III и IV. Структура топоизомеразы IA типа напоминает замок с доменами I, III и IV, лежащими на дне структуры. [6] Структура topo III (см. Ниже), связанная с одноцепочечной ДНК [7] (pdb id = 1I7D), показывает, как HTH и домен Toprim скоординированы относительно ДНК.

Варианты топоизомеразы типа IA [ править ]

Существует несколько вариантов топоизомераз типа IA, различающихся отростками, прикрепленными к основному ядру (иногда их называют «топо-складкой»). Члены этого подкласса включают топо I, топо III (которые содержат дополнительные цинк-связывающие мотивы) и обратную гиразу. Обратная гираза особенно интересна, потому что присоединяется домен АТФазы, который напоминает геликазо-подобный домен фактора транскрипции Rho (структура обратной гиразы была решена Rodriguez and Stock, EMBO J 2002). Фермент использует гидролиз АТФ, чтобы ввести положительные суперспирали и перематывать ДНК, что является привлекательной особенностью гипертермофилов, в которых, как известно, существует обратная гираза. Родригес и Сток проделали дополнительную работу, чтобы выявить "защелку"который участвует в сообщении гидролиза АТФ с введением положительных суперспиралей.

Вариант topo III также очень интересен, потому что он имеет цинк-связывающие мотивы, которые, как считается, связывают одноцепочечную ДНК. Было установлено, что Topo III связан с геликазой BLM (для синдрома Блума) во время рекомбинации.

Механизм [ править ]

Топоизомеразы типа IA действуют через механизм прохождения цепей с использованием одного гейта (в отличие от топоизомераз типа II). Во-первых, одноцепочечная ДНК связывает домены III и I. Каталитический тирозин расщепляет основную цепь ДНК, создавая временное 5'-фосфотирозиновое промежуточное соединение. Затем разрыв отделяется с использованием домена II в качестве шарнира и пропускается второй дуплекс или цепь ДНК. Домены III и I закрываются, и ДНК повторно отжигается.

Топоизомеразы типа IB [ править ]

Важные остатки активного сайта топоизомеразы IB. ДНК окрашена в малиновый цвет.
Активный сайт топоизомеразы IB. ДНК окрашена в малиновый цвет с голубым остовом. (ID PDB = 1A36)

Введение [ править ]

В отличие от топоизомераз типа IA, топоизомераза типа 1B решает проблему перемотанной и перемотанной (также называемой положительно или отрицательно сверхспиральной) ДНК посредством механизма затрудненного вращения. Кристаллические структуры, биохимия и эксперименты с одиночными молекулами внесли свой вклад в общий механизм. Сначала фермент оборачивается вокруг ДНК и образует единственный промежуточный 3'-фосфотирозин. 5'-конец затем может свободно вращаться, скручивая его вокруг другой цепи, чтобы расслабить ДНК до тех пор, пока топоизомераза не повторно лигирует разорванные цепи.

Структура [ править ]

Структура topo IB, связанного с ДНК, была решена (pdb id = 1A36). Topo IB состоит из NTD, кэпирующей доли, каталитической доли и С-концевого домена. Покрывающая доля и каталитическая доля охватывают ДНК.

Механизм [ править ]

Релаксация не является активным процессом, и энергия (в форме АТФ ) не расходуется на этапах надкола или лигирования; это связано с тем, что реакция между остатком тирозина в активном центре фермента с фосфодиэфиромОснова ДНК просто заменяет одну фосфомоноэфирную связь другой. Топоизомераза также не использует АТФ во время раскрутки ДНК; скорее, крутящий момент, присутствующий в ДНК, вызывает раскручивание и в среднем энергично идет вниз. Недавние эксперименты с одной молекулой подтвердили то, что ранее предлагалось в экспериментах по релаксации объемной плазмиды, а именно, что раскручивание ДНК происходит под действием крутящего момента и продолжается до тех пор, пока не произойдет религия. Нет данных, свидетельствующих о том, что Topo IB «контролирует» поворот, поскольку у него есть механизм, который запускает религию после удаления определенного количества суперспиралей. Напротив, эксперименты с одной молекулой предполагают, что религия является случайным процессом и имеет некоторую вероятность происходить каждый раз при повороте 5 '.-ОН-конец находится в непосредственной близости от сайта связывания 3'-конца, связанного с ферментом.

Топоизомеразы типа IB были первоначально идентифицированы у эукариот и вирусов. Вирусный топо I уникален, потому что он связывает ДНК специфическим для последовательности образом.

См. Статью TOP1 для получения дополнительных сведений об этой хорошо изученной топоизомеразе типа 1B.

Топоизомеразы типа IC [ править ]

Третий тип топоизомеразы I, topo V, был идентифицирован у архея Methanopyrus kandleri . Topo V является членом-основателем и пока единственным членом топоизомеразы типа IC, хотя некоторые авторы предполагают, что она может иметь вирусное происхождение. [8] Кристаллическая структура topo V была решена. [9] Топоизомеразы типа IC действуют посредством контролируемого вращательного механизма, во многом как топоизомеразы типа IB [10] (pdb ID = 2CSB и 2CSD ), но складка уникальна.

Промежуточные звенья [ править ]

Все топоизомеразы образуют фосфотирозиновый промежуточный продукт между каталитическим тирозином фермента и подвижным фосфорилом остова ДНК.

  • Топоизомеразы типа IA образуют ковалентную связь между каталитическим тирозином и 5'-фосфорилом.
  • Ферменты типа IB образуют ковалентный промежуточный 3'-фосфотирозин.
  • Топоизомеразы типа IC образуют ковалентный промежуточный 3'-фосфотирозин.

Этот промежуточный продукт является изоэнергетическим, что означает, что прямая реакция расщепления и обратная реакция религирования энергетически равны. Таким образом, для проведения этой реакции не требуется никакого внешнего источника энергии.

Запрещение [ править ]

Основная статья: ингибитор топоизомеразы

Поскольку топоизомеразы создают разрывы в ДНК, они являются мишенями низкомолекулярных ингибиторов, которые ингибируют фермент. Топоизомераза 1 типа ингибируется иринотеканом , топотеканом и камптотецином .

Фермент топоизомераза типа IB человека образует ковалентный промежуточный 3'-фосфотирозин, комплекс топоизомеразы 1-расщепления (Top1cc). Активный иринотекана метаболита, SN-38 , действует путем захвата (делая тройной комплекс с) подмножество Top1cc, те , с гуанина +1 в последовательности ДНК. [11] Одна производная иринотекана молекула SN-38 складывается против пар оснований, фланкирующих сайт расщепления, вызванного топоизомеразой, и отравляет (инактивирует) фермент топоизомеразу 1. [11]

После инфицирования бактериофагом (фагом) T4 его бактериального хозяина, Escherichia coli , геном фага определяет продукт гена (gp55.2), который ингибирует бактериальную топоизомеразу I. [12] Gp55.2 связывает ДНК и специфически блокирует релаксацию отрицательно свернутой спирали. ДНК под действием топоизомеразы I. Это ингибирование, по-видимому, является адаптацией для тонкой модуляции активности топоизомеразы I хозяина во время инфекции для обеспечения оптимального выхода фага.

Синтетическая летальность [ править ]

Основная статья: TOP1 § Синтетическая летальность

Синтетическая летальность возникает, когда комбинация недостатков экспрессии двух или более генов приводит к гибели клеток, тогда как недостаток только одного из этих генов этого не делает. Недостатки могут возникать в результате мутации, эпигенетических изменений или ингибирования экспрессии гена.

Ингибирование топоизомеразы 1 является синтетическим летальным исходом при недостаточной экспрессии определенных генов репарации ДНК. У пациентов-людей гены репарации ДНК с недостаточностью включают WRN [13] и MRE11 . [14] В доклинических исследованиях, связанных с раком, дефектные гены репарации ДНК включают ATM [15] и NDRG1 . [16] [17]

Аутоантитела [ править ]

Основная статья: Антитела Anti-Scl-70

Аутоантитела направлены против типа I. топоизомеразы называются анти-SCL-70 антитело , названным по ассоциации с SCL eroderma и 70 кД , экстрагируемые иммунореактивный фрагмент , который может быть получен из ( в противном случае большего 100-105 кДа) целевая топоизомераза антигена ( так называемого SCL -70 Antigen) антител. [18]

Ссылки [ править ]

  1. ^ Ван JC (июнь 2002). «Клеточные роли топоизомераз ДНК: молекулярная перспектива». Nat. Преподобный Мол. Cell Biol . 3 (6): 430–40. DOI : 10.1038 / nrm831 . PMID  12042765 .
  2. ^ Champoux JJ (2001). «Топоизомеразы ДНК: структура, функция и механизм». Анну. Rev. Biochem . 70 : 369–413. DOI : 10.1146 / annurev.biochem.70.1.369 . PMID 11395412 . 
  3. ^ Шарма А; Hanai R; Мондрагон А (август 1994 г.). «Кристаллическая структура амино-концевого фрагмента топоизомеразы I ДНК вируса коровьей оспы при разрешении 1,6 A» . Структура . 2 (8): 767–77. DOI : 10.1016 / s0969-2126 (94) 00077-8 . PMID 7994576 . 
  4. Перейти ↑ Roca J (апрель 1995 г.). «Механизмы ДНК-топоизомераз». Trends Biochem. Sci . 20 (4): 156–60. DOI : 10.1016 / s0968-0004 (00) 88993-8 . PMID 7770916 . 
  5. ^ Gadelle D, Filée Дж, Бюлер С, Фортер Р (март 2003 г.). «Филогеномика ДНК-топоизомераз II типа». BioEssays . 25 (3): 232–42. DOI : 10.1002 / bies.10245 . PMID 12596227 . 
  6. ^ Лима, CD; Wang, JC; Мондрагон, А (1994). «Трехмерная структура N-концевого фрагмента 67K ДНК-топоизомеразы I. Coli». Природа . 367 (6459): 138–46. DOI : 10.1038 / 367138a0 . PMID 8114910 . 
  7. ^ Чангела, А; Digate, RJ; Мондрагон, А (2001). «Кристаллическая структура комплекса топоизомеразы ДНК типа IA с одноцепочечной молекулой ДНК». Природа . 411 (6841): 1077–81. DOI : 10.1038 / 35082615 . PMID 11429611 . 
  8. ^ Фортер P (июнь 2006). «ДНК-топоизомераза V: новая складка загадочного происхождения». Trends Biotechnol . 24 (6): 245–7. DOI : 10.1016 / j.tibtech.2006.04.006 . PMID 16650908 . 
  9. ^ Taneja B, Patel A, Слесарев A, Мондрагон A (январь 2006). «Структура N-концевого фрагмента топоизомеразы V раскрывает новое семейство топоизомераз» . EMBO J . 25 (2): 398–408. DOI : 10.1038 / sj.emboj.7600922 . PMC 1383508 . PMID 16395333 .  
  10. ^ Taneja, B; Schnurr, B; Слесарев А; Марко, JF; Мондрагон, А (2007). «Топоизомераза V расслабляет сверхспиральную ДНК посредством ограниченного механизма поворота» . Труды Национальной академии наук . 104 (37): 14670–5. DOI : 10.1073 / pnas.0701989104 . PMC 1976220 . PMID 17804808 .  
  11. ^ а б Поммье Y (2013). «Прием препаратов топоизомеразы: уроки и проблемы» . ACS Chem. Биол . 8 (1): 82–95. DOI : 10.1021 / cb300648v . PMC 3549721 . PMID 23259582 .  
  12. ^ Mattenberger Y, Silva F, Belin D. 55.2, ген ORFan фага T4, кодирует ингибитор топоизомеразы I Escherichia coli и увеличивает приспособленность фага. PLoS One. 2015 14 апреля; 10 (4): e0124309. DOI: 10.1371 / journal.pone.0124309. PMID: 25875362; PMCID: PMC4396842
  13. ^ Agrelo R, Ченг WH, Setien F, Ропер S, Эспада Дж, Фраг М.Ф., Herranz М, Паз М.Ф., Санчес-Сеспедес М, Артиг МДж, Герреро Д, Кастеллс А, фон Kobbe С, Бором В.А., Esteller М (2006 ). «Эпигенетическая инактивация гена синдрома Вернера преждевременного старения при раке человека» . Proc. Natl. Акад. Sci. США . 103 (23): 8822–7. DOI : 10.1073 / pnas.0600645103 . PMC 1466544 . PMID 16723399 .  
  14. ^ Pavelitz T, Renfro L, Foster NR, Caracol A, Welsch P, Lao VV, Grady WB, Niedzwiecki D, Saltz LB, Bertagnolli MM, Goldberg RM, Rabinovitch PS, Emond M, Monnat RJ, Maizels N (2014). «Дефицит MRE11, связанный с улучшением долгосрочной выживаемости без болезней и общей выживаемости в подгруппе пациентов с раком толстой кишки стадии III в рандомизированном исследовании CALGB 89803» . PLoS ONE . 9 (10): e108483. DOI : 10.1371 / journal.pone.0108483 . PMC 4195600 . PMID 25310185 .  
  15. ^ Субхаш В.В., Тан SH, Ео МС, Ян FL, Peethala ПК, Лием Н, Кришнан В, Ен WP (2016). «Экспрессия ATM предсказывает чувствительность к Велипарибу и Иринотекану при раке желудка, опосредуя независимую от P53 регуляцию клеточного цикла и апоптоза» . Мол. Cancer Ther . 15 (12): 3087–3096. DOI : 10.1158 / 1535-7163.MCT-15-1002 . PMID 27638859 . 
  16. ^ Wissing MD, Мендонка Дж, Ким Е, Ким Е, Шим JS, Kaelber Н.С., Кант Н, молотки Н, Commes Т, Ван Диест PJ, Liu Jo, Kachhap SK (2013). «Идентификация цетримония бромида и иринотекана как соединений с синтетической летальностью против клеток рака предстательной железы с дефицитом NDRG1» . Cancer Biol. Ther . 14 (5): 401–10. DOI : 10,4161 / cbt.23759 . PMC 3672184 . PMID 23377825 .  
  17. ^ Доминика G, Bowman J, Ли X, Миллер Р., Гарсия Г. (2016). «mTOR регулирует экспрессию ферментов ответа на повреждение ДНК у долгоживущих мышей Snell dwarf, GHRKO и PAPPA-KO» . Ячейка старения . 16 (1): 52–60. DOI : 10.1111 / acel.12525 . PMC 5242303 . PMID 27618784 .  
  18. ^ Название продукта: Антиген SCL-70, архивированный 19 марта 2006 г.на Wayback Machine на сайте ImmunoVision.com, получен в апреле 2011 г.

Внешние ссылки [ править ]

  • ДНК + топоизомеразы, + тип + I в Национальной медицинской библиотеке США по медицинским предметным рубрикам (MeSH)