Топоизомеразы типа II — это топоизомеразы , которые разрезают обе нити спирали ДНК одновременно, чтобы управлять клубками и суперспиралями ДНК . Они используют гидролиз АТФ , в отличие от топоизомеразы типа I. В этом процессе эти ферменты изменяют число связей кольцевой ДНК на ±2. Топоизомеразы — это вездесущие ферменты, обнаруженные во всех живых организмах. [1]
У животных топоизомераза II является мишенью химиотерапии. У прокариот гираза является антибактериальной мишенью. [2] Действительно, эти ферменты представляют интерес для широкого спектра эффектов.
Топоизомеразы типа II увеличивают или уменьшают число связей петли ДНК на 2 единицы, и это способствует распутыванию хромосом. Например, ДНК-гираза , топоизомераза типа II, наблюдаемая у E. coli и большинства других прокариот , вводит отрицательные супервитки и уменьшает число связей на 2. Гираза также способна удалять узлы из бактериальной хромосомы . Наряду с гиразой большинство прокариот также содержат вторую топоизомеразу типа IIA, называемую топоизомеразой IV. Гираза и топоизомераза IV различаются своими С-концевыми доменами, что, как полагают, определяет субстратную специфичность и функциональность для этих двух ферментов. Футпринтинг показывает, что гираза, которая образует отпечаток из 140 пар оснований и оборачивает ДНК, вводит отрицательные супервитки , в то время как топоизомераза IV, которая образует отпечаток из 28 пар оснований, не оборачивает ДНК.
Эукариотическая топоизомераза II типа не может образовывать суперспирали; она может только расслаблять их.
Роль топоизомераз типа IIB изучена меньше. В отличие от топоизомераз типа IIA, топоизомеразы типа IIB не могут упростить топологию ДНК (см. ниже), но они разделяют несколько структурных особенностей с топоизомеразами типа IIA.
Топоизомеразы типа IIA необходимы для разделения переплетенных дочерних цепей во время репликации. Считается, что эта функция выполняется топоизомеразой II у эукариот и топоизомеразой IV у прокариот. Неспособность разделить эти цепи приводит к гибели клетки. Топоизомеразы типа IIA обладают особой способностью расслаблять ДНК до состояния ниже термодинамического равновесия, что отличается от топоизомераз типов IA, IB и IIB. Эта способность, известная как упрощение топологии, была впервые выявлена Рыбенковым и др. [3] Гидролиз АТФ приводит к этому упрощению, но четкий молекулярный механизм этого упрощения до сих пор отсутствует. Было предложено несколько моделей для объяснения этого явления, включая две модели, которые основаны на способности топоизомераз типа IIA распознавать изогнутые дуплексы ДНК. [4] Биохимия, электронная микроскопия и недавние исследования структур топоизомеразы II, связанной с ДНК, показывают, что топоизомеразы типа IIA связываются с верхушками ДНК, что подтверждает эту модель.
Существует два подкласса топоизомераз типа II: тип IIA и тип IIB.
Некоторые организмы, включая людей, имеют две изоформы топоизомеразы II: альфа и бета . При раке топоизомераза IIα сильно экспрессируется в пролиферирующих клетках. При некоторых видах рака, таких как опухоли оболочек периферических нервов, высокая экспрессия кодируемого ею белка также связана с плохой выживаемостью пациентов.
Два класса топоизомераз обладают схожим механизмом прохождения нити и структурой домена (см. ниже), однако у них также есть несколько важных различий. Топоизомеразы типа IIA образуют двухцепочечные разрывы с выступами из четырех пар оснований, тогда как топоизомеразы типа IIB образуют двухцепочечные разрывы с выступами из двух оснований. [6] Кроме того, топоизомеразы типа IIA способны упрощать топологию ДНК, [3] тогда как топоизомеразы типа IIB не способны на это. [7]
Топоизомеразы типа IIA состоят из нескольких ключевых мотивов:
Эукариотические топоизомеразы типа II являются гомодимерами (A 2 ), тогда как прокариотические топоизомеразы типа II являются гетеротетрамерами (A 2 B 2 ). У прокариот домен АТФазы и складка Toprim находятся на одном полипептиде ( Pfam PF00204), тогда как ядро расщепления ДНК и CTD находятся на втором полипептиде ( Pfam PF00521). Для гиразы первый полипептид называется GyrB, а второй полипептид называется GyrA. Для topo IV первый полипептид называется ParE, а второй полипептид называется ParC. Обе сигнатуры Pfam обнаружены в одноцепочечной эукариотической топоизомеразе.
Структуры N-концевого домена АТФазы гиразы [8] и дрожжевой топоизомеразы II [9] были решены в комплексе с AMPPNP (аналогом АТФ), показывая, что два домена АТФазы димеризуются, образуя закрытую конформацию. Для гиразы структура имеет существенное отверстие в середине, которое, как предполагается, вмещает T-сегмент.
Связывание домена АТФазы с фолдом Toprim представляет собой спиральный элемент, известный как домен трансдуктора. Предполагается, что этот домен передает состояние нуклеотидов домена АТФазы остальной части белка. Изменения этого домена влияют на активность топоизомеразы, а структурная работа, проделанная группой Verdine, показывает, что состояние АТФ влияет на ориентацию домена трансдуктора. [10]
Центральное ядро белка содержит складку Toprim и ДНК-связывающее ядро, которое содержит домен крылатой спирали (WHD), часто называемый доменом CAP, поскольку он был впервые идентифицирован как напоминающий WHD белка-активатора катаболита. Каталитический тирозин лежит на этом WHD. Складка Toprim представляет собой складку Россмана, которая содержит три инвариантных кислотных остатка, которые координируют ионы магния, участвующие в расщеплении ДНК и религировании ДНК. [11] Структура складки Toprim и ДНК-связывающего ядра дрожжевой топоизомеразы II была впервые решена Бергером и Ваном, [12] а первое ДНК-связывающее ядро гиразы было решено Мораисом Кабралом и др. [13] Структура, решенная Бергером, выявила важные сведения о функции фермента. ДНК-связывающее ядро состоит из WHD, что приводит к домену башни. Спирально-спиральная область ведет к С-концевому домену, который образует основной димерный интерфейс для этого кристаллического состояния (часто называемого C-воротами). В то время как исходная структура топоизомеразы II показывает ситуацию, когда WHD разделены большим расстоянием, структура гиразы показывает закрытую конформацию, где WHD закрыты.
Ядро топоизомеразы II позднее было решено в новых конформациях, включая одну, предложенную Фассом и др. [14] и Донгом и др. [15]. Структура Фасса показывает, что домен Toprim является гибким, и что эта гибкость может позволить домену Toprim координироваться с WHD для формирования компетентного комплекса расщепления. Это было в конечном итоге подтверждено структурой Донга и др., которая была решена в присутствии ДНК. Эта последняя структура показала, что домен Toprim и WHD образовали комплекс расщепления, очень похожий на комплекс топоизомераз типа IA, и указала, как связывание ДНК и расщепление могут быть разъединены, а структура показала, что ДНК была согнута примерно на 150 градусов через инвариантный изолейцин (в топоизомеразе II это I833, а в гиразе это I172). Этот механизм изгиба очень похож на механизм интеграционного фактора хозяина (IHF) и HU, двух архитектурных белков в бактериях. Кроме того, в то время как предыдущие структуры ДНК-связывающего ядра имели закрытые C-ворота, эта структура захватила ворота открытыми, что является ключевым шагом в двухворотном механизме (см. ниже).
Совсем недавно несколько структур ДНК-связанной структуры были решены в попытке понять как химический механизм расщепления ДНК, так и структурную основу ингибирования топоизомеразы антибактериальными ядами. Первая полная архитектура ДНК -гиразы E. coli была решена с помощью криоэлектронной микроскопии с разрешением, близким к атомному. [16] Нуклеопротеиновый комплекс был захвачен с помощью длинного ДНК-дуплекса и гепотидацина , нового бактериального ингибитора топоизомеразы.
C-концевая область прокариотических топоизомераз была решена для нескольких видов. Первая структура C-концевого домена гиразы была решена Корбеттом и др. [17] , а C-концевой домен топоизомеразы IV был решен Корбеттом и др. [7]. Структуры образовали новый бета-бочонок, который изгибает ДНК, оборачивая нуклеиновую кислоту вокруг себя. Изгиб ДНК гиразой был предложен в качестве ключевого механизма в способности гиразы вводить отрицательные суперспирали в ДНК. Это согласуется с данными футпринтинга, которые показывают, что гираза имеет футпринт из 140 пар оснований. CTD как гиразы, так и топоизомеразы IV изгибают ДНК, но только гираза вводит отрицательные суперспирали.
В отличие от функции С-концевого домена прокариотических топоизомераз, функция С-концевой области эукариотической топоизомеразы II до сих пор не ясна. Исследования показали, что эта область регулируется фосфорилированием, и это модулирует активность топоизомеразы, однако для изучения этого вопроса необходимо провести больше исследований.
Организация топоизомераз типа IIB похожа на организацию топоизомераз типа IIA, за исключением того, что все типы IIB имеют два гена и образуют гетеротетрамеры. Один ген, называемый topo VI-B (поскольку он напоминает gyrB), содержит домен АТФазы, домен трансдуктора ( Pfam PF09239) и C-концевой домен Ig-fold-like H2TH ( Pfam PF18000). Второй ген, называемый topo VI-A ( Pfam PF04406), содержит домен WHD и Toprim.
Домен АТФазы топо VI B был решен в нескольких нуклеотидных состояниях. [18] Он очень похож на домен GHKL топо II и MutL и показывает, что состояние нуклеотида (АДФ против АТФ) влияет на ориентацию домена трансдуктора (и 1MX0).
Структура топоизомера VI-A была решена Бержератом и др. [19], показав, что складка HTH и Toprim имеет новую конформацию по сравнению с топоизомером IIA.
Недавно была решена структура комплекса топо VI A/B, показывающая открытую и закрытую конформацию, два состояния, которые предсказаны в двухзатворном механизме (см. ниже). Эти структуры, одна из которых является рентгеновской кристаллической структурой, а другая — реконструкцией малоуглового рентгеновского рассеяния (SAXS), показывают, что домен АТФазы может быть как открытым, так и закрытым. [20]
Топоизомераза типа IIA действует посредством механизма «двух ворот» (хотя это историческое обозначение), механизм, поддерживаемый биохимией [21] , а также структурными исследованиями. [22]
Цепь ДНК, называемая воротами или G-сегментом, связана центральными ДНК-связывающими воротами (ДНК-воротами). Вторая цепь ДНК, называемая транспортной или T-сегментом, захватывается димеризацией N-концевого домена АТФазы (АТФазными воротами), когда связываются две молекулы АТФ. Гидролиз АТФ и высвобождение неорганического фосфата приводит к расщеплению G-сегмента, поскольку каталитические тирозины образуют ковалентную фосфотирозиновую связь с 5'-концом ДНК. Это создает нависание из четырех оснований и двухцепочечный разрыв в G-сегменте. Когда ДНК-связывающие ворота разделяются, T-сегмент переносится через G-сегмент. G-сегмент запечатывается, что приводит к открытию C-концевых ворот (или C-ворот), позволяя высвободить T-сегмент. Высвобождение продукта АДФ приводит к перезагрузке системы и позволяет захватить второй Т-сегмент.
Топоизомеразы типа IIB действуют аналогичным образом, за исключением того, что белок образует двухосновной выступ в G-сегменте, а C-концевые ворота полностью отсутствуют.
В механизме прохождения цепи расщепление ДНК является ключевым для того, чтобы позволить T-сегменту пройти через G-сегмент. Механизм расщепления ДНК топоизомеразами типа IIA в последнее время оказался в центре внимания многих биохимических и структурно-биологических исследований.
Катенация — это процесс, посредством которого две кольцевые нити ДНК соединяются вместе, как звенья цепи. Это происходит после репликации ДНК, когда две одинарные нити соединяются и все еще могут реплицироваться, но не могут разделиться на две дочерние клетки. Поскольку топоизомеразы типа II разрывают двойную нить, они могут исправить это состояние (топоизомеразы типа I могли бы сделать это только в том случае, если бы уже был одноцепочечный разрыв), и правильное число хромосом может сохраняться в дочерних клетках. Линейная ДНК у эукариот настолько длинная, что их можно считать не имеющими концов; топоизомеразы типа II необходимы по той же причине.
Малые молекулы, нацеленные на топоизомеразу типа II, делятся на два класса: ингибиторы и яды. Из-за их частого присутствия в пролиферирующих эукариотических клетках ингибиторы топоизомеразы типа II были широко изучены и использовались в качестве противораковых препаратов. [23]
Экспериментальный противоопухолевый препарат m-AMSA (4'-(9'-акридиниламино)метансульфон-м-анисидид) также ингибирует топоизомеразу типа 2. [24]
Яды топоизомеразы широко использовались как в качестве противораковой, так и антибактериальной терапии. Хотя антибактериальные соединения, такие как ципрофлоксацин, нацелены на бактериальную гиразу, они не способны ингибировать эукариотические топоизомеразы типа IIA. Кроме того, у устойчивых к лекарствам бактерий часто есть точечная мутация в гиразе (серин79аланин в E. coli ), которая делает хинолоны неэффективными. [ необходима цитата ] Недавние структурные исследования привели к открытию соединения, которое больше не зависит от этого остатка и, следовательно, эффективно против устойчивых к лекарствам бактерий. [ необходима цитата ]
Бактериофаговая (фаговая) гираза T4 (топоизмераза II типа) представляет собой многосубъединичный белок, состоящий из продуктов генов 39, 52 и, возможно, 60. [25] [26] Она катализирует релаксацию отрицательно или положительно суперспиральной ДНК и используется в репликации ДНК фага во время заражения бактериального хозяина E. coli . [27] Белок гена фага 52 имеет гомологию с субъединицей gyrA гиразы E. coli [28] , а белок гена фага 39 имеет гомологию с субъединицей gyr B. [29] Поскольку ДНК-гираза хозяина E. coli может частично компенсировать потерю продуктов гена фага T4, мутанты, дефектные в генах 39, 52 или 60, не полностью отменяют репликацию ДНК фага, а скорее задерживают ее инициацию. [27] Скорость удлинения ДНК не ниже, чем у дикого типа при таких мутантных инфекциях. [30] Мутанты, дефектные в генах 39, 52 или 60, демонстрируют повышенную генетическую рекомбинацию , а также повышенную замену оснований и делеционную мутацию, что позволяет предположить, что компенсируемый хозяином синтез ДНК менее точен, чем тот, который направляется фагом дикого типа. [31] Мутант, дефектный в гене 39, демонстрирует повышенную чувствительность к инактивации ультрафиолетовым облучением на стадии фаговой инфекции после инициации репликации ДНК, когда присутствуют множественные копии хромосомы фага. [32] Мутанты, дефектные в генах 39, 52 и 60, обладают пониженной способностью выполнять множественную реактивацию, форму рекомбинационной репарации, которая может справляться с различными типами повреждений ДНК. [33] Гираза, определяемая геномом незараженной E. coli, также, по-видимому, участвует в рекомбинационной репарации, обеспечивая точку инициации для взаимного обмена цепями, управляемого белком RecA. [34]
{{cite book}}
: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка )