stringtranslate.com

Топоизомераза I типа

В молекулярной биологии топоизомеразы типа I — это ферменты , которые разрезают одну из двух цепей двухцепочечной ДНК, расслабляют цепь и повторно отжигают ее. Они далее подразделяются на две структурно и механически различные топоизомеразы: тип IA и тип IB.

Исторически топоизомеразы типа IA называются прокариотическими топо I, тогда как топоизомеразы типа IB называются эукариотическими топоизомеразами. Однако это различие больше не применяется, поскольку топоизомеразы типа IA и типа IB существуют во всех доменах жизни.

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

Функция

Эти ферменты выполняют несколько функций: удаляют суперспирали ДНК во время транскрипции и репликации ДНК ; разрывают цепи во время рекомбинации ; конденсируют хромосомы ; распутывают переплетенные нити ДНК во время митоза . [1] [2]

Структура

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

Механизмы

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 релаксацию положительно и/или отрицательно суперспирализованной ДНК, за исключением обратной гиразы, которая может вводить положительные суперспирали в ДНК.

ДНК- топоизомеразы регулируют количество топологических связей между двумя цепями ДНК (т. е. изменяют количество суперспиральных витков), катализируя временные одно- или двухцепочечные разрывы, пересекая цепи друг через друга, а затем повторно запечатывая разрывы. [4]

Классы

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

Топоизомеразы типа IA

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

Введение

Топоизомеразы типа IA, которые, как исторически считается, встречаются у прокариот, создают один разрыв в ДНК и пропускают вторую цепь или дуплекс через разрыв. Этот механизм прохождения цепи имеет несколько общих черт с топоизомеразами типа IIA. Они обе образуют 5'-фосфотирозиновый интермедиат и требуют двухвалентного иона металла для выполнения своей работы. В отличие от топоизомераз типа II , топоизомеразы типа IA не используют энергию для выполнения своей работы (за заметным исключением обратной гиразы, см. ниже).

Структура

Топоизомеразы типа IA имеют несколько доменов, часто нумеруют домены 1-4. Домен I содержит домен Toprim (складка Россмана, известная тем, что координирует ионы магния), домен IV и домен III каждый состоят из домена спираль-поворот-спираль (HTH); каталитический тирозин находится на HTH домена III. Домен II представляет собой гибкий мост между доменами III и IV. Структура топоизомеразы типа IA напоминает замок, причем домены I, III и IV лежат в нижней части структуры. [6] Структура topo III (см. ниже), связанная с одноцепочечной ДНК [7] (pdb id = 1I7D), показывает, как домены HTH и Toprim координируются вокруг ДНК.

Варианты топоизомеразы типа IA

Существует несколько вариантов топоизомераз типа IA, отличающихся придатками, прикрепленными к основному ядру (иногда называемыми «топо-фолд»). Члены этого подкласса включают топо I, топо III (которые содержат дополнительные мотивы связывания цинка) и обратную гиразу. Обратная гираза особенно интересна, поскольку к ней прикреплен домен АТФазы, который напоминает геликазоподобный домен фактора транскрипции Rho (структура обратной гиразы была решена Родригесом и Стоком, EMBO J 2002). Фермент использует гидролиз АТФ для введения положительных супервитков и перекручивания ДНК, что является привлекательным свойством гипертермофилов, в которых, как известно, существует обратная гираза. Родригес и Сток провели дополнительную работу по выявлению «защелки», которая участвует в передаче гидролиза АТФ для введения положительных супервитков.

Вариант topo III также очень интересен, поскольку имеет мотивы связывания цинка, которые, как полагают, связывают одноцепочечную ДНК. Было установлено, что Topo III связан с геликазой BLM (синдром Блума) во время рекомбинации.

Механизм

Топоизомеразы типа IA работают через механизм прохождения цепи, используя одиночные ворота (в отличие от топоизомераз типа II). Сначала одноцепочечная ДНК связывает домен III и I. Каталитический тирозин расщепляет остов ДНК, создавая временный 5' фосфотирозиновый интермедиат. Затем разрыв разделяется, используя домен II в качестве шарнира, и через него проходит второй дуплекс или цепь ДНК. Домен III и I закрываются, и ДНК повторно отжигается.

Топоизомеразы типа IB

Важные остатки активного центра топоизомеразы IB. ДНК окрашена в малиновый цвет.
Активный центр топоизомеразы IB. ДНК окрашена в малиновый цвет со светло-голубым остовом. (PDB ID = 1A36)

Введение

В отличие от топоизомераз типа IA, топоизомераза типа 1B решает проблему перекрученной и недокрученной (также называемой положительно или отрицательно суперспирализованной) ДНК с помощью затрудненного вращательного механизма. Кристаллические структуры, биохимия и эксперименты с отдельными молекулами внесли свой вклад в общий механизм. Фермент сначала обвивает ДНК и создает один 3'-фосфотирозиновый промежуточный продукт. Затем 5'-конец может свободно вращаться, скручивая его вокруг другой цепи, чтобы расслабить ДНК, пока топоизомераза не перелигирует разорванные цепи.

Структура

Структура topo IB, связанного с ДНК, была решена (pdb id = 1A36). Topo IB состоит из NTD, кэппинг-лоба, каталитической доли и C-концевого домена. Кэппинг-лоба и каталитическая доля оборачиваются вокруг ДНК.

Механизм

Релаксация не является активным процессом, и энергия (в форме АТФ ) не расходуется во время этапов надреза или лигирования; это происходит потому, что реакция между остатком тирозина в активном центре фермента с фосфодиэфирным остовом ДНК просто заменяет одну фосфомоноэфирную связь на другую. Топоизомераза также не использует АТФ во время раскручивания ДНК; вместо этого крутящий момент, присутствующий в ДНК, управляет раскручиванием и в среднем энергетически идет вниз. Недавние эксперименты с одиночными молекулами подтвердили то, что эксперименты по релаксации в объеме плазмиды предполагали ранее, а именно, что раскручивание ДНК управляется крутящим моментом и продолжается до тех пор, пока не произойдет повторное лигирование. Нет данных, указывающих на то, что Topo IB «контролирует» поворот, поскольку у него есть механизм, который запускает повторное лигирование после удаления определенного количества супервитков. Напротив, эксперименты с отдельными молекулами показывают, что повторное лигирование представляет собой случайный процесс и имеет некоторую вероятность возникновения каждый раз, когда поворотный конец 5'-ОН оказывается в непосредственной близости от места присоединения связанного с ферментом 3'-конца.

Топоизомеразы типа IB были первоначально идентифицированы у эукариот и вирусов. Вирусная топоизомераза I уникальна, поскольку она связывает ДНК специфичным для последовательности образом.

Более подробную информацию об этой хорошо изученной топоизомеразе типа 1B можно найти в статье TOP1 .

Топоизомеразы типа IC

Третий тип топоизомеразы I, topo V, был идентифицирован в архее Methanopyrus kandleri . Topo V является основателем и на данный момент 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 работают посредством контролируемого вращательного механизма, во многом как топоизомеразы типа IB [10] (pdb ID = 2CSB и 2CSD), но складка уникальна.

Промежуточные

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

Этот промежуточный продукт является изоэнергетическим, что означает, что реакция прямого расщепления и реакция обратного лигирования энергетически равны. Таким образом, для проведения этой реакции не требуется внешний источник энергии.

Ингибирование

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

Фермент человеческой топоизомеразы типа IB образует ковалентный 3'-фосфотирозиновый промежуточный продукт, комплекс расщепления топоизомеразы 1 (Top1cc). Активный метаболит иринотекана, SN-38 , действует путем захвата (образования тройного комплекса ) подмножества Top1cc, тех, которые имеют гуанин +1 в последовательности ДНК. [11] Одна молекула SN-38, полученная из иринотекана, накладывается на пары оснований, фланкирующие сайт расщепления, вызванный топоизомеразой, и отравляет (инактивирует) фермент топоизомеразу 1. [11]

При заражении бактериального хозяина, Escherichia coli , бактериофагом (фагом) T4 , геном фага определяет генный продукт (gp55.2), который ингибирует бактериальную топоизомеразу I. [12] Gp55.2 связывает ДНК и специфически блокирует релаксацию отрицательно суперспирализованной ДНК топоизомеразой I. Это ингибирование, по-видимому, является адаптацией для тонкой модуляции активности топоизомеразы I хозяина во время инфекции, чтобы обеспечить оптимальный выход фага.

Синтетическая летальность

Синтетическая летальность возникает, когда сочетание дефицитов в экспрессии двух или более генов приводит к гибели клетки, тогда как дефицит только одного из этих генов не приводит к этому. Дефициты могут возникать из-за мутации, эпигенетического изменения или ингибирования экспрессии гена.

Ингибирование топоизомеразы 1 синтетически летально с дефицитом экспрессии определенных генов репарации ДНК. У пациентов-людей дефицитные гены репарации ДНК включают WRN [13] и MRE11 . [14] В доклинических исследованиях , связанных с раком, дефицитные гены репарации ДНК включают ATM [15] и NDRG1 . [16] [17]

Аутоантитела

Аутоантитела, нацеленные против топоизомеразы I типа, называются антителами против Scl-70 , получив свое название из-за ассоциации с scl eroderma и извлекаемого иммунореактивного фрагмента массой 70 кДа , который можно получить из большего (100–105 кДа) целевого антигена топоизомеразы (называемого антигеном SCL-70) антител. [18]

Ссылки

  1. ^ Wang JC (июнь 2002 г.). «Клеточные роли топоизомераз ДНК: молекулярная перспектива». Nat. Rev. Mol. Cell Biol . 3 (6): 430–40. doi :10.1038/nrm831. PMID  12042765. S2CID  205496065.
  2. ^ Champoux JJ (2001). «ДНК-топоизомеразы: структура, функция и механизм». Annu. Rev. Biochem . 70 : 369–413. doi :10.1146/annurev.biochem.70.1.369. PMID  11395412.
  3. ^ Sharma A; Hanai R; Mondragón A (август 1994). "Кристаллическая структура аминоконцевого фрагмента ДНК-топоизомеразы I вируса вакцинии при разрешении 1,6 А". Structure . 2 (8): 767–77. doi : 10.1016/s0969-2126(94)00077-8 . PMID  7994576.
  4. ^ Roca J (апрель 1995 г.). «Механизмы топоизомераз ДНК». Trends Biochem. Sci . 20 (4): 156–60. doi :10.1016/s0968-0004(00)88993-8. PMID  7770916.
  5. ^ Gadelle D, Filée J, Buhler C, Forterre P (март 2003 г.). «Филогеномика топоизомераз ДНК типа II». BioEssays . 25 (3): 232–42. doi :10.1002/bies.10245. PMID  12596227. S2CID  4642743.
  6. ^ Lima, CD; Wang, JC; Mondragón, A (1994). "Трехмерная структура 67K N-концевого фрагмента топоизомеразы I ДНК E. Coli". Nature . 367 (6459): 138–46. Bibcode :1994Natur.367..138L. doi :10.1038/367138a0. PMID  8114910. S2CID  4314431.
  7. ^ Changela, A; Digate, RJ; Mondragón, A (2001). «Кристаллическая структура комплекса ДНК-топоизомеразы типа IA с одноцепочечной молекулой ДНК». Nature . 411 (6841): 1077–81. Bibcode :2001Natur.411.1077C. doi :10.1038/35082615. PMID  11429611. S2CID  4426078.
  8. ^ Forterre P (июнь 2006 г.). «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, Slesarev A, Mondragón A (январь 2006 г.). «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; Slesarev, A; Marko, JF; Mondragón, A (2007). «Топоизомераза V расслабляет суперспирализованную ДНК с помощью ограниченного поворотного механизма». Труды Национальной академии наук . 104 (37): 14670–5. Bibcode : 2007PNAS..10414670T. doi : 10.1073/pnas.0701989104 . PMC 1976220. PMID  17804808 . 
  11. ^ ab Pommier Y (2013). «Лекарственное лечение топоизомеразами: уроки и проблемы». ACS Chem. Biol . 8 (1): 82–95. doi :10.1021/cb300648v. PMC 3549721. PMID  23259582 . 
  12. ^ Mattenberger Y, Silva F, Belin D (2015). "55.2, ген ORFan фага T4, кодирует ингибитор топоизомеразы I Escherichia coli и повышает приспособленность фага". PLoS One . 10 (4): e0124309. doi : 10.1371/journal.pone.0124309 . PMC 4396842. PMID  25875362 . 
  13. ^ Agrelo R, Cheng WH, Setien F, Ropero S, Espada J, Fraga MF, Herranz M, Paz MF, Sanchez-Cespedes M, Artiga MJ, Guerrero D, Castells A, von Kobbe C, Bohr VA, Esteller M (2006). "Эпигенетическая инактивация гена синдрома Вернера преждевременного старения при раке человека". Proc. Natl. Acad. Sci. USA . 103 (23): 8822–7. Bibcode :2006PNAS..103.8822A. doi : 10.1073/pnas.0600645103 . PMC 1466544 . PMID  16723399. 
  14. ^ Павелиц Т., Ренфро Л., Фостер Н.Р., Каракол А., Велш П., Лао В.В., Грейди В.Б., Недзвецкий Д., Сальц Л.Б., Бертаньолли М.М., Голдберг Р.М., Рабинович П.С., Эмонд М., Моннат Р.Дж., Майзелс Н. (2014). «Дефицит MRE11, связанный с улучшением долгосрочной безрецидивной выживаемости и общей выживаемости в подгруппе пациентов с раком толстой кишки III стадии в рандомизированном исследовании CALGB 89803». PLOS ONE . 9 (10): e108483. Bibcode : 2014PLoSO...9j8483P. doi : 10.1371/journal.pone.0108483 . PMC 4195600. PMID  25310185 . 
  15. ^ Subhash VV, Tan SH, Yeo MS, Yan FL, Peethala PC, Liem N, Krishnan V, Yong WP (2016). «Экспрессия ATM предсказывает чувствительность к Велипарибу и Иринотекану при раке желудка, опосредуя независимую от P53 регуляцию клеточного цикла и апоптоза». Mol. Cancer Ther . 15 (12): 3087–96. doi : 10.1158/1535-7163.MCT-15-1002 . PMID  27638859.
  16. ^ Wissing MD, Mendonca J, Kim E, Kim E, Shim JS, Kaelber NS, Kant H, Hammers H, Commes T, Van Diest PJ, Liu JO, Kachhap SK (2013). «Идентификация бромида цетримония и иринотекана как соединений с синтетической летальностью против клеток рака простаты с дефицитом NDRG1». Cancer Biol. Ther . 14 (5): 401–10. doi :10.4161/cbt.23759. PMC 3672184. PMID  23377825 . 
  17. ^ Dominick G, Bowman J, Li X, Miller RA, Garcia GG (2016). "mTOR регулирует экспрессию ферментов ответа на повреждение ДНК у долгоживущих мышей Snell dwarf, GHRKO и PAPPA-KO". Aging Cell . 16 (1): 52–60. doi :10.1111/acel.12525. PMC 5242303 . PMID  27618784. 
  18. ↑ Название продукта: SCL-70 Antigen Архивировано 19 марта 2006 г. на Wayback Machine на ImmunoVision.com, получено в апреле 2011 г.

Внешние ссылки

На Викискладе есть медиафайлы по теме «Топоизомераза типа I» .