stringtranslate.com

Обратная гираза

Обратная гираза представляет собой топоизомеразу типа I , которая вводит положительные суперспирали в ДНК, [1] в отличие от типичных отрицательных суперспиралей, вводимых ДНК-гиразой топоизомеразы типа II . Эти положительные суперспирали могут быть введены в ДНК, которая либо отрицательно сверхспиральна, либо полностью расслаблена. [2] Если ДНК-гираза образует тетрамер и способна расщеплять двухцепочечную область ДНК, обратная гираза может расщеплять только одноцепочечную ДНК. [3] [4] Более конкретно, обратная гираза является членом класса топоизомераз типа IA; наряду со способностью релаксировать отрицательно или положительно сверхспиральную ДНК [5] (для которой не требуется АТФ [6] [7] ), ферменты типа IA также имеют тенденцию обладать РНК-топоизомеразной активностью. 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 является АТФ-зависимой топоизомеразой [8] с точки зрения ее положительной суперспиральной активности, однако обратная гираза также может релаксировать цепи ДНК, не создавая 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 фактическое внедрение спиралей 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 преимущественно атаковать области одноцепочечной ДНК, а не двухцепочечной ДНК, что позволяет предположить, что критическая биологическая функция этого фермента заключается в обеспечении постоянной ренатурации расплавленных нитей ДНК. особенно у организмов, растущих при высоких температурах. [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, такие как 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

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, будучи гиразой, он в первую очередь классифицируется под зонтиком топоизомеразы. Кроме того, цифра 5,6 обозначает эту молекулу как изомеразу, способную изменять конформацию клеточных молекул. [14] 5.6.2 далее обозначает фермент 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]

Состав

Кристаллическая структура обратной гиразы полностью охарактеризована и получена кристаллическая структура на основе фермента, обнаруженного в Thermotoga maritima . [12]

Линейные домены и кристаллическая структура обратной гиразы.

Активный сайт

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

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 этапа прохождения цепи хеликазы. домен. [5] [17]

Цинковые пальцы

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

Организмы, живущие в стандартных условиях температуры и давления, или мезофилы (живущие в диапазоне температур от 20 до 40 °C), как правило, имеют отрицательную сверхспирализацию нитей 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, считается, что термофилы (организмы, которые могут жить при температуре от 40 °C до 122 °C [18] ) поддерживают несколько положительных суперспиралей в своей ДНК, чтобы способствовать поддержанию структурной целостности ДНК. ДНК под денатурирующим действием 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 обратной гиразы свойственен не только термофилам. 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

Механизм предполагает, что первоначальное связывание обратной гиразы с ДНК вызывает раскручивание примерно 20 пар оснований; после связывания АТФ пузырек перематывается примерно до 10 пар оснований, и домен IA топоизомеразы способен создавать положительные суперспирали во время прохождения цепи. Фермент высвобождается из цепи ДНК при гидролизе АТФ, и этот процесс может повторяться в другом месте цепи ДНК.
Визуальное изображение предполагаемого механизма действия фермента обратной гиразы при гидролизе АТФ.

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 левого 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 находится в закрытой конформации. [5] После связывания АТФ со структурой обратной гиразы домен геликазы закрывается и открывается домен топоизомеразы IA. 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 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]

Рекомендации

  1. ↑ 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. PMID  6328327. S2CID  4242694.
  2. ^ abc Fogg JM, Catanese DJ, 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.
  3. ^ Жаксель С, 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. doi :10.1002/j.1460-2075.1989.tb08466.x. ПМК 401394 . ПМИД  2555155. 
  4. ^ abcdefg Гарнье Ф, Кутюрье М, Дебат Х, Надаль М (25 мая 2021 г.). «Археи: золотая жила разнообразия топоизомераз». Границы микробиологии . 12 : 661411. doi : 10.3389/fmicb.2021.661411 . ПМЦ 8185306 . ПМИД  34113328. 
  5. ^ abcde Ян X, Гарнье Ф, Деба Х, Стрик Т.Р., Надаль М (май 2020 г.). «Прямое наблюдение взаимодействия хеликазы и топоизомеразы в обратной гиразе». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 117 (20): 10856–10864. Бибкод : 2020PNAS..11710856Y. дои : 10.1073/pnas.1921848117 . ПМЦ 7245102 . ПМИД  32371489. 
  6. ^ «EC 5.6.2.1». Номенклатура ферментов IUBMB . Международный союз биохимии и молекулярной биологии.
  7. ^ Геллерт М (1981). «ДНК-топоизомеразы». Ежегодный обзор биохимии . 50 : 879–910. doi : 10.1146/annurev.bi.50.070181.004311. ПМИД  6267993.
  8. ^ аб 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.
  9. ^ abc Се Т.С., Планк Дж.Л. (март 2006 г.). «Обратная гираза действует 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.
  10. ↑ Декле AC, Марсо Дж., 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.
  11. ^ ab Capp C, Qian Y, Sage H, Huber H, Hsieh TS (декабрь 2010 г.). «Отдельная и комбинированная биохимическая активность субъединиц естественно расщепленной обратной гиразы». Журнал биологической химии . 285 (51): 39637–39645. дои : 10.1074/jbc.M110.173989 . ПМК 3000944 . ПМИД  20929866. 
  12. ^ abcdefghi 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. 
  13. ^ «EC 5. Изомеразы». Номенклатура ферментов IUBMB . Международный союз биохимии и молекулярной биологии.
  14. ^ «ЭК 5.6». Номенклатура ферментов IUBMB . Международный союз биохимии и молекулярной биологии.
  15. ^ «EC 5.6.2 Ферменты, изменяющие конформацию нуклеиновой кислоты» . Номенклатура ферментов IUBMB . Международный союз биохимии и молекулярной биологии.
  16. ^ «5.6.2.2». Номенклатура ферментов IUBMB . Международный союз биохимии и молекулярной биологии.
  17. ^ 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. 
  18. ^ 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. 
  19. ^ Валенти А, Перуджино Г, 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.
  20. ^ 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.