DNA gyráza - DNA gyrase

DNA gyráza
Identifikátory
EC číslo5.99.1.3
Databáze
IntEnzIntEnz pohled
BRENDAVstup BRENDA
EXPASYPohled NiceZyme
KEGGVstup KEGG
MetaCycmetabolická cesta
PRIAMprofil
PDB strukturRCSB PDB PDBe PDBsum

DNA gyrázanebo jednoduše gyráza, je enzym ve třídě topoizomeráza a je podtřídou Topoizomerázy typu II[1] který redukuje topologické napětí způsobem závislým na ATP, zatímco je dvouvláknový DNA se odvíjí prodloužením RNA-polymeráza [2] nebo helikáza před postupujícími replikační vidlice.[3][4] Enzym je negativní supercoiling DNA nebo uvolňuje pozitivní supercoily. Dělá to tak, že vytvoří smyčku šablony tak, aby vytvořila křížení, poté odřízne jednu z dvojitých šroubovic a druhou ji protáhne, než uvolní přestávku a změní spojovací číslo o dva v každém enzymatickém kroku. K tomuto procesu dochází v bakterie, jehož jediná kruhová DNA je řezána DNA gyrázou a oba konce jsou pak krouceny kolem sebe za vzniku supercoilů. Gyrase se také nachází v eukaryotice plastidy: bylo nalezeno v apicoplast malarického parazita Plasmodium falciparum[5][6] a v chloroplastech několika rostlin.[7] Bakteriální DNA gyráza je terčem mnoha lidí antibiotika, počítaje v to kyselina nalidixová, novobiocin, a ciprofloxacin.

Jedinečná schopnost gyrázy zavádět negativní supercoily do DNA na úkor hydrolýzy ATP[1] je to, co umožňuje bakteriální DNA mít zdarma negativní supercoily. Během hry vstupuje do hry schopnost gyrázy uvolnit pozitivní supercoily replikace DNA a prokaryotické transkripce. Spirálovitá povaha DNA způsobuje, že se pozitivní supercoily hromadí před translokačním enzymem, v případě replikace DNA, DNA polymeráza. Schopnost gyrázy (a topoizomeráza IV ) k uvolnění pozitivních supercoil umožňuje uvolnění superhelical napětí před polymerázou, takže replikace může pokračovat.

Struktura gyrázy

Schéma gyrázové struktury

DNA gyráza je tetramerní enzym, který se skládá ze 2 podjednotek GyrA („A“) a 2 podjednotek GyrB („B“).[8] Strukturálně je komplex tvořen 3 páry „bran“, jejichž postupné otevírání a zavírání vede k přímému přenosu segmentu DNA a zavedení 2 negativních supercoil. N-brány jsou tvořeny doménami ATPázy podjednotek GyrB. Vazba 2 molekul ATP vede k dimerizaci, a tedy k uzavření bran. Hydrolýza je naopak otevírá. Štěpení a shledání DNA se provádí katalytickým centrem umístěným v branách DNA vytvářených všemi podjednotkami gyrázy. C-brány jsou tvořeny GyrA podjednotkami.[9]

Mechanochemický model aktivity gyrázy

Katalytický cyklus DNA gyrázy

Studie s jedinou molekulou[10] charakterizoval aktivitu gyrázy jako funkci napětí DNA (aplikovaná síla) a ATP a navrhl mechanochemický model. Po navázání na DNA (stav „Gyrase-DNA“) existuje konkurence mezi obalením DNA a disociací, kde zvýšení napětí DNA zvyšuje pravděpodobnost disociace. Podle navrhovaného katalytického cyklu vazba 2 molekul ATP způsobuje dimerizaci domén ATPázy podjednotek GyrB a zachycení T-segmentu DNA (T- z přenos) v dutině mezi podjednotkami GyrB. V dalším kroku enzym štěpí G-segment DNA (G-z brána) výroba a dvouvláknový zlom. Poté je T-segment přenesen zlomem, který je doprovázen hydrolýzou první molekuly ATP. DNA-gyráza liguje zlom v G-segmentu zpět a T-segment nakonec opouští enzymový komplex. Hydrolýza druhého ATP vrací systém do počátečního kroku cyklu.[11]V důsledku katalytického cyklu se hydrolyzují dvě molekuly ATP a do templátu DNA se zavedou dvě negativní supercoily. Počet superhelických závitů zavedených do původně uvolněné kruhové DNA byl vypočten tak, aby byl přibližně stejný jako počet molekul ATP hydrolyzovaných gyrázou [12] Proto lze předpokládat, že dvě molekuly ATP jsou hydrolyzovány na cyklus reakce gyrázou, což vede k zavedení spojovacího rozdílu -2.[13]

Specifičnost gyrázy

Gyrase má výraznou specificitu k DNA substrátům. V některých fágech byla nalezena silná vazebná místa gyrázy (SGS) (bakteriofág Mu skupina) a plazmidy (pSC101, pBR322 ). V poslední době je vysoce výkonné mapování DNA gyrázových míst v Escherichia coli genom s využitím přístupu Topo-Seq [2] odhalil dlouhý (≈130 bp) a zdegenerovaný vazebný motiv, který může vysvětlit existenci SGS. Motiv gyrázy odráží obal DNA kolem komplexu enzymů a flexibilitu DNA. Obsahuje dvě periodické oblasti, ve kterých se ostrovy bohaté na GC střídají s patche bohatými na AT obdobím blízkým období dvojité šroubovice DNA (≈10,5 bp). Tyto dvě oblasti odpovídají vazbě DNA na C-koncové domény podjednotek GyrA a podobají se vazebnému motivu eukaryotického nukleosomu.[2]

Inhibice antibiotiky

Gyrasa je přítomna v prokaryotech a některých eukaryotech, ale enzymy nejsou zcela podobné ve struktuře nebo sekvenci a mají různé afinity pro různé molekuly. Díky tomu je gyráza dobrým cílem antibiotika. Dvě třídy antibiotik, které inhibují gyrázu, jsou:

  1. The aminokumariny (počítaje v to novobiocin a Coumermycin A1 ). Aminokumariny fungují kompetitivní inhibice energetické transdukce DNA gyrázy vazbou na aktivní místo ATPázy umístěné na podjednotce GyrB.[14][15]
  2. The chinolony (počítaje v to kyselina nalidixová a ciprofloxacin ). Chinolony jsou tzv. Topoizomerázové jedy. Vazbou na enzym jej zachycují v přechodném kroku katalytického cyklu, který brání opětovnému spojení G-segmentu. To má za následek akumulaci dvouvláknových zlomů, zablokování replikačních vidlic a smrt buněk. Bakterie rezistentní na chinolon často obsahují mutované topoizomerázy, které odolávají vazbě chinolonu.

Podjednotka A je selektivně inaktivována antibiotiky, jako jsou kyseliny oxolinové a nalidixové. Podjednotka B je selektivně inaktivována antibiotiky, jako je kumermycin A1 a novobiocin. Inhibice jedné z podjednotek blokuje supertwisting aktivitu.[16]

Fág T4

Fág T4 geny 39, 52 a 60 kódují proteiny, které tvoří DNA gyrázu, která se používá ve fágu replikace DNA během infekce E-coli bakteriální hostitel.[17] Protein fágového genu 52 sdílí homologii s podjednotkou bakteriální gyrázy gyrA[18] a protein fágového genu 39 sdílí homologii s podjednotkou gyrB.[19] Od hostitele E-coli DNA gyráza může částečně kompenzovat ztrátu produktů fágového genu, mutanty defektní v obou genech 39, 52 nebo 60 úplně nezruší replikaci fágové DNA, ale spíše oddálí její iniciaci.[17] Mutanti defektní v genech 39, 52 nebo 60 vykazují zvýšený výskyt genetická rekombinace stejně jako zvýšená substituce a delece báze mutace což naznačuje, že syntéza DNA kompenzovaná hostitelem je méně přesná než syntéza směrovaná fágem divokého typu.[20] Mutant defektní v genu 39 také vykazuje zvýšenou citlivost na inaktivaci pomocí ultrafialový ozáření během stádia fágové infekce po zahájení replikace DNA při více kopiích fága chromozóm jsou přítomny.[21]

Viz také

Reference

  1. ^ A b Garrett RH, Grisham CM (2013). Biochemie (5. mezinárodní vydání). Spojené státy: Mary Finch. str. 949. ISBN  978-1-133-10879-5.
  2. ^ A b C Sutormin D, Rubanova N, Logacheva M, Ghilarov D, Severinov K (2018). „Mapování štěpných míst DNA gyrázy v genomu Escherichia coli v rozlišení jednoho nukleotidu“. Výzkum nukleových kyselin. doi:10.1093 / nar / gky1222. PMC  6379681. PMID  30517674.
  3. ^ Wigley DB, Davies GJ, Dodson EJ, Maxwell A, Dodson G. (Červen 1991). "Krystalová struktura N-terminálního fragmentu proteinu DNA gyrázy B". Příroda. 351 (6328): 624–9. Bibcode:1991 Natur.351..624W. doi:10.1038 / 351624a0. PMID  1646964.
  4. ^ Morais Cabral JH, Jackson AP, Smith CV, Shikotra N, Maxwell A, Liddington RC (srpen 1997). "Krystalová struktura domény rozbití a shledání DNA gyrázy". Příroda. 388 (6645): 903–6. Bibcode:1997 Natur.388..903M. doi:10.1038/42294. PMID  9278055.
  5. ^ Dar MA, Sharma A, Mondal N, Dhar SK (březen 2007). „Molekulární klonování genů DNA gyrázy Plasmodium falciparum zaměřených na apikoplasty: jedinečná vnitřní aktivita ATPázy a ATP nezávislá dimerizace podjednotky PfGyrB“. Eukaryotická buňka. 6 (3): 398–412. doi:10.1128 / ec.00357-06. PMC  1828931. PMID  17220464.
  6. ^ Dar A, Prusty D, Mondal N, Dhar SK (listopad 2009). „Unikátní oblast 45 aminokyselin v doméně toprim Plasmodium falciparum gyrázy B je nezbytná pro její aktivitu“. Eukaryotická buňka. 8 (11): 1759–69. doi:10.1128 / ec.00149-09. PMC  2772398. PMID  19700639.
  7. ^ Evans-Roberts K, Mitchenall L, Wall M, Leroux J, Mylne J, Maxwell A (2016). „DNA gyráza je cílem chinolonového léčiva ciprofloxacinu u Arabidopsis thaliana“. Journal of Biological Chemistry. 291 (7): 3136–44. doi:10,1074 / jbc.M115,689554. PMC  4751362. PMID  26663076.
  8. ^ Vanden Broeck, A., Lotz, C., Ortiz, J. a kol. Cryo-EM struktura celého E-coli Komplex DNA gyráza-nukleoprotein. Nat Commun 10, 4935 (2019). https://doi.org/10.1038/s41467-019-12914-y
  9. ^ Bush N, Evans-Roberts K, Maxwell A (2015). "DNA topoizomerázy". EcoSal Plus. 6 (2). doi:10.1128 / ecosalplus.ESP-0010-2014. PMID  26435256.
  10. ^ Gore J, Bryant Z, Stone MD, Nollmann M, Cozzarelli NR, Bustamante C., "Mechanochemická analýza DNA gyrázy pomocí sledování kuliček rotoru", Nature 2006 5. ledna (sv. 439): 100-104.
  11. ^ Basu A, Parente AC, Bryant Z (2016). „Structural Dynamics and Mechanochemical Coupling in DNA Gyrase“. Journal of Molecular Biology. 428 (9 Pt B): 1833–1845. doi:10.1016 / j.jmb.2016.03.016. PMC  5083069. PMID  27016205.
  12. ^ Sugino A, Cozzarelli NR (červenec 1980). "Vnitřní ATPáza DNA gyrázy". The Journal of Biological Chemistry. 255 (13): 6299–306. PMID  6248518.
  13. ^ Reece RJ, Maxwell A (1991). "DNA gyráza: struktura a funkce". Kritické recenze v biochemii a molekulární biologii. 26 (3–4): 335–75. doi:10.3109/10409239109114072. PMID  1657531.
  14. ^ Arnaud Vanden Broeck, Alastair G. McEwen, Yassmine Chebaro, Noëlle Potier a Valérie Lamour. Journal of Medicinal Chemistry 2019 62 (8), 4225-4231. DOI: 10,1021 / acs.jmedchem.8b01928
  15. ^ Lamour, V .; Hoermann, L .; Jeltsch, J. M .; Oudet, P .; Moras, D. Otevřená konformace ATP-vazebné domény Thermus thermophilus gyrázy B. J. Biol. Chem. 2002, 277, 18947–18953, DOI: 10,1074 / jbc.M111740200
  16. ^ Engle EC, Manes SH, Drlica K (leden 1982). „Diferenciální účinky antibiotik inhibujících gyrázu“. Journal of Bacteriology. 149 (1): 92–8. PMC  216595. PMID  6274849.
  17. ^ A b McCarthy D. Zahájení replikace DNA bakteriofága T4 závislé na glyáze: interakce gyrázy Escherichia coli s genovými produkty novobiocinu, kumermycinu a fágu DNA. J Mol Biol. 1979; 127 (3): 265-283. doi: 10.1016 / 0022-2836 (79) 90329-2
  18. ^ Huang WM. 52-proteinová podjednotka T4 DNA topoizomerázy je homologní s gyrA-proteinem gyrázy. Nucleic Acids Res. 1986; 14 (18): 7379-7390
  19. ^ Huang WM. Nukleotidová sekvence genu pro topoizomerázu DNA typu II. Gen B4 bakteriofága 39. Nucleic Acids Res. 1986; 14 (19): 7751-7765. doi: 10,1093 / nar / 14.19.7751
  20. ^ Mufti S, Bernstein H. Mutanti zpoždění DNA bakteriofága T4. J Virol. 1974; 14 (4): 860-871. doi: 10,1128 / JVI.14.4.860-871.1974
  21. ^ Hyman P. Genetika účinku Luria-Latarjet v bakteriofágu T4: důkazy o zapojení více opravných drah DNA. Genet Res. 1993; 62 (1): 1-9. doi: 10,1017 / s0016672300031499

externí odkazy

  • PDBe-KB P0AES4: přehled všech strukturních informací dostupných v PDB pro podjednotku DNA gyrázy Escherichia coli A
  • PDBe-KB P0A2I3: přehled všech strukturních informací dostupných v PDB pro podjednotku B bakterie Salmonella enterica DNA gyrázy