gyraza DNA
| Identyfikatory | |||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| gyrazy DNA | |||||||||
| nr WE | 5.99.1.3 | ||||||||
| Bazy danych | |||||||||
| IntEnz | Widok IntEnz | ||||||||
| BRENDA | Wpis BRENDY | ||||||||
| ExPASy | Widok NiceZyme | ||||||||
| KEGG | Wpis KEGG | ||||||||
| MetaCyc | szlak metaboliczny | ||||||||
| PRYM | profil | ||||||||
| Struktury PDB | RCSB PDB PDBe PDB suma | ||||||||
| |||||||||
Gyraza DNA , lub po prostu gyraza , jest enzymem należącym do klasy topoizomerazy i jest podklasą topoizomerazy typu II , która zmniejsza napięcie topologiczne w sposób zależny od ATP, podczas gdy dwuniciowy DNA jest rozwijany przez wydłużającą się polimerazę RNA lub przez helikazę z przodu postępującego rozwidlenia replikacyjnego . Enzym powoduje ujemne superskręcenie DNA lub rozluźnia dodatnie superskręcenie. Czyni to poprzez zapętlenie szablonu w celu utworzenia skrzyżowania, a następnie przecięcie jednej z podwójnych helis i przepuszczenie przez nią drugiej przed zwolnieniem przerwy, zmieniając liczbę połączeń o dwa w każdym etapie enzymatycznym. Proces ten zachodzi u bakterii , których pojedyncze koliste DNA jest cięte przez gyrazę DNA, a następnie dwa końce są skręcane wokół siebie, tworząc superskręty. Gyraza występuje również w eukariotycznych plastydach : została znaleziona w apikoplastach pasożyta malarii Plasmodium falciparum oraz w chloroplastach kilku roślin. Bakteryjna gyraza DNA jest celem wielu antybiotyków , w tym kwasu nalidyksowego , nowobiocyny , albicydyny i cyprofloksacyny .
Wyjątkowa zdolność gyrazy do wprowadzania ujemnych superskrętów do DNA kosztem hydrolizy ATP umożliwia bakteryjnemu DNA posiadanie wolnych ujemnych superskrętów. Zdolność gyrazy do rozluźniania dodatnich superskrętów wchodzi w grę podczas replikacji DNA i transkrypcji prokariotycznej . Helikalny charakter DNA powoduje gromadzenie się dodatnich superskrętów przed translokującym enzymem, w przypadku replikacji DNA, polimerazą DNA . Zdolność gyrazy (i topoizomerazy IV ) do rozluźniania dodatnich superskrętów umożliwia uwolnienie superhelikalnego napięcia przed polimerazą, dzięki czemu replikacja może być kontynuowana.
Struktura gyrazy
Gyraza DNA jest tetramerycznym enzymem składającym się z 2 podjednostek GyrA („A”) i 2 GyrB („B”). Strukturalnie kompleks tworzą 3 pary „bramek”, których sekwencyjne otwieranie i zamykanie prowadzi do bezpośredniego przeniesienia segmentu DNA i wprowadzenia 2 ujemnych superskrętów. N-bramki są utworzone przez domeny ATPazy podjednostek GyrB. Wiązanie 2 cząsteczek ATP prowadzi do dimeryzacji, a tym samym do zamknięcia bramek. Przeciwnie, hydroliza je otwiera. Cięcie i ponowne łączenie DNA jest przeprowadzane przez centrum katalityczne zlokalizowane w bramkach DNA zbudowanych przez wszystkie podjednostki gyrazy. Bramki C są utworzone przez podjednostki GyrA.
Mechanochemiczny model aktywności gyrazy
Badanie pojedynczej cząsteczki scharakteryzowało aktywność gyrazy jako funkcję napięcia DNA (przyłożonej siły) i ATP oraz zaproponowało model mechanochemiczny. Po związaniu się z DNA (stan „Gyraza-DNA”) dochodzi do rywalizacji między owinięciem DNA a dysocjacją, w której zwiększenie napięcia DNA zwiększa prawdopodobieństwo dysocjacji. Zgodnie z zaproponowanym cyklem katalitycznym, związanie 2 cząsteczek ATP powoduje dimeryzację domen ATPazy podjednostek GyrB i wychwycenie odcinka T DNA (T- from transfering ) w jamie pomiędzy podjednostkami GyrB. W następnym kroku enzym rozszczepia segment G DNA (G- od bramki ), tworząc dwuniciowe pęknięcie . Następnie segment T jest przenoszony przez pęknięcie, czemu towarzyszy hydroliza pierwszej cząsteczki ATP. Gyraza DNA łączy pęknięcie w tylnym segmencie G, a segment T ostatecznie opuszcza kompleks enzymatyczny. Hydroliza drugiego ATP przywraca system do początkowego etapu cyklu. W wyniku cyklu katalitycznego dochodzi do hydrolizy dwóch cząsteczek ATP i wprowadzenia do matrycy DNA dwóch ujemnych superskrętów. Obliczono, że liczba superhelikalnych skrętów wprowadzonych do początkowo rozluźnionego kolistego DNA jest w przybliżeniu równa liczbie cząsteczek ATP zhydrolizowanych przez gyrazę. Można zatem zasugerować, że w jednym cyklu reakcji gyraza hydrolizuje dwie cząsteczki ATP, co prowadzi do wprowadzenia różnicy w wiązaniach wynoszącej -2.
Specyficzność gyrazy
Gyraza ma wyraźną specyficzność względem substratów DNA. Silne miejsca wiązania gyrazy (SGS) stwierdzono w niektórych fagach ( bakteriofag z grupy Mu ) i plazmidach ( pSC101 , pBR322 ). Niedawno wysokowydajne mapowanie miejsc gyrazy DNA w Escherichia coli przy użyciu podejścia Topo-Seq ujawniło długi (≈130 pz) i zdegenerowany motyw wiążący, który może wyjaśniać istnienie SGS. Motyw gyrazy odzwierciedla owinięcie DNA wokół kompleksu enzymatycznego i elastyczność DNA. Zawiera dwa okresowe regiony, w których wyspy bogate w GC są przeplatane z łatami bogatymi w AT przez okres zbliżony do okresu podwójnej helisy DNA (≈10,5 pz). Te dwa regiony odpowiadają wiązaniu DNA przez domeny C-końcowe podjednostek GyrA i przypominają eukariotyczny motyw wiążący nukleosom.
Hamowanie przez antybiotyki
Gyraza jest obecna u prokariotów i niektórych eukariotów, ale enzymy te nie są całkowicie podobne pod względem struktury lub sekwencji i mają różne powinowactwo do różnych cząsteczek. To sprawia, że gyraza jest dobrym celem dla antybiotyków . Dwie klasy antybiotyków hamujących gyrazę to:
- Aminokumaryny (w tym nowobiocyna i kumermycyna A1 ), które działają poprzez kompetycyjne hamowanie transdukcji energii gyrazy DNA przez wiązanie się z miejscem aktywnym ATPazy na podjednostce GyrB.
- Chinolony (w tym kwas nalidyksowy i cyprofloksacyna ) są znane jako trucizny topoizomerazy. Wiążąc się z enzymem, zatrzymują go w przejściowym etapie cyklu katalitycznego, zapobiegając ponownemu połączeniu segmentu G. Powoduje to akumulację pęknięć dwuniciowych , zatrzymanie widełek replikacyjnych i śmierć komórki. Bakterie oporne na chinolony często zawierają zmutowane topoizomerazy, które są odporne na wiązanie chinolonów.
Podjednostka A jest selektywnie inaktywowana przez antybiotyki, takie jak kwas oksolinowy i nalidyksowy. Podjednostka B jest selektywnie inaktywowana przez antybiotyki, takie jak kumermycyna A1 i nowobiocyna. Zahamowanie którejkolwiek z podjednostek blokuje aktywność superskręcania.
Fag T4
Geny 39, 52 i 60 faga T4 kodują białka, które tworzą gyrazę DNA, która jest wykorzystywana w replikacji DNA faga podczas infekcji bakteryjnego gospodarza E. coli . Białko genu 52 faga wykazuje homologię z podjednostką gyrA gyrazy bakteryjnej, a białko genu 39 faga wykazuje homologię z podjednostką gyrB. Ponieważ gyraza DNA gospodarza E. coli może częściowo kompensować utratę produktów genów faga, mutanty wadliwe w genach 39, 52 lub 60 nie znoszą całkowicie replikacji DNA faga, ale raczej opóźniają jej inicjację. Mutanty defektywne w genach 39, 52 lub 60 wykazują zwiększoną rekombinację genetyczną , jak również zwiększoną mutację polegającą na substytucji zasady i delecji , co sugeruje, że synteza DNA z kompensacją gospodarza jest mniej dokładna niż ta kierowana przez faga typu dzikiego. Mutant z defektem w genie 39 wykazuje również zwiększoną wrażliwość na inaktywację przez ultrafioletowe na etapie infekcji fagowej po rozpoczęciu replikacji DNA, gdy obecne są liczne kopie chromosomu fagowego.
Zobacz też
Linki zewnętrzne
- PDBe-KB: przegląd wszystkich informacji o strukturze dostępnych w PDB dla podjednostki A gyrazy DNA Escherichia coli
- PDBe-KB: przegląd wszystkich informacji o strukturze dostępnych w PDB dla podjednostki B gyrazy DNA Salmonella enterica
