Topoizomeráza typu I - Type I topoisomerase
VirDNA-topo-I_N | |||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
![]() amino terminální 9kda doména viru vakcínie dna topoizomeráza i zbytky 1-77, experimentální elektronová hustota pro zbytky 1-77 | |||||||||
Identifikátory | |||||||||
Symbol | VirDNA-topo-I_N | ||||||||
Pfam | PF09266 | ||||||||
InterPro | IPR015346 | ||||||||
SCOP2 | 1vcc / Rozsah / SUPFAM | ||||||||
|
V molekulární biologii Topoizomerázy typu I. jsou enzymy které rozřezaly jedno ze dvou řetězců dvouvláknové DNA, uvolnily vlákno a znovu jej provlékaly. Dále se dělí na dvě strukturně a mechanicky odlišné topoizomerázy: typ IA a typ IB.
- Topoizomerázy typu IA mění spojovací číslo kruhového řetězce DNA jednotkami přesně 1.
- Topoizomerázy typu IB mění spojovací číslo na násobky 1 (n).
Historicky se topoizomerázy typu IA označují jako prokaryotické topo I, zatímco topoizomerázy typu IB se označují jako eukaryotické topoizomerázy. Toto rozlišení však již neplatí, protože topoizomerázy typu IA a IB existují ve všech doménách života.
Funkčně tyto podtřídy plní velmi specializované funkce. Prokaryotický topoizomeráza I (topo IA) může uvolnit pouze negativní nadšroubovicovou DNA, zatímco eukaryotický topoizomeráza I (topo IB) může zavést pozitivní supercoily, oddělující DNA dceřiných chromozomů po replikaci DNA a relaxovat DNA.
Funkce
Tyto enzymy mají několik funkcí: odstranit DNA supercoily v průběhu transkripce a replikace DNA; pro zlomení vlákna během rekombinace; pro chromozóm kondenzace; a rozmotat propletenou DNA během mitóza.[1][2]
Struktura
Tato doména předpokládá záhyb beta (2) -alfa-beta-alfa-beta (2) s levostranným křížením mezi řetězci beta2 a beta3. Má čtyři zkřížené beta-prameny obklopené čtyřmi alfa-šroubovicemi, které jsou uspořádány v Rossmannově záhybu[3]
Mechanismy
Topoizomerázy typu I jsou ATP -nezávislé enzymy (kromě reverzní gyráza ) a lze je rozdělit podle jejich struktura a reakční mechanismy: typ IA (bakteriální a archaální topoizomeráza I, topoizomeráza III a reverzní gyráza) a typ IB (eukaryotická topoizomeráza I a topoizomeráza V). Tyto enzymy jsou primárně odpovědné za relaxaci pozitivně a / nebo negativně převinuté DNA, s výjimkou reverzní gyrázy, která může zavést pozitivní supercoily do DNA.
DNA topoizomerázy regulovat počet topologické vazby mezi dvěma řetězci DNA (tj. změnit počet superhelických závitů) katalyzováním přechodných jedno- nebo dvouvláknových zlomů, křížením řetězců navzájem a následným uzavřením zlomů.[4]
Třídy
DNA topoizomerázy se dělí do dvou tříd: typ I. enzymy (ES; topoizomerázy I, III a V) štěpí jednořetězcovou DNA a enzymy typu II (ES; topoizomerázy II, IV a VI) štěpí dvouvláknovou DNA.[5]
Topoizomerázy typu IA

Úvod
Topoizomerázy typu IA, o nichž se historicky říká, že se vyskytují u prokaryot, vytvářejí jediný zlom DNA a skrz zlom procházejí druhým vláknem nebo duplexem. Tento mechanismus pasáže sdílí několik funkcí s topoizomerázami typu IIA. Oba tvoří 5 'fosfotyrosinový meziprodukt a pro svou práci vyžadují dvojmocný kovový ion. Na rozdíl od topoizomerázy typu II Topoizomerázy typu IA nepoužívají k provádění své práce energii (s významnou výjimkou reverzní gyrázy, viz níže).
Struktura
Topoizomerázy typu IA mají několik domén, často očíslovaných doménu 1-4. Doména I obsahuje doménu Toprim (Rossmanův záhyb, o kterém je známo, že koordinuje ionty hořčíku), doména IV a doména III každá sestává z domény helix-turn-helix (HTH); katalytický tyrosin spočívá na HTH domény III. Doména II je flexibilní most mezi doménami III a IV. Struktura topoizomerázy typu IA připomíná zámek, přičemž domény I, III a IV leží na spodní části struktury.[6] Struktura topo III (viz níže) vázaná na jednořetězcovou DNA[7] (pdb id = 1I7D) ukazuje, jak jsou domény HTH a Toprim koordinovány kolem DNA.
Varianty topoizomerázy typu IA
Existuje několik variant topoizomeráz typu IA, které se liší přílohami připojenými k hlavnímu jádru (někdy označované jako „topo-fold“). Členy této podtřídy jsou topo I, topo III (které obsahují další motivy vázající zinek) a reverzní gyáza. Reverzní gyráza je obzvláště zajímavá, protože je připojena doména ATPázy, která se podobá doméně podobné helikáze transkripčního faktoru Rho (struktura reverzní gyrázy byla vyřešena Rodriguezem a Stockem, EMBO J 2002). Enzym využívá hydrolýzu ATP k zavedení pozitivních supercoilů a převíjí DNA, což je vlastnost atraktivní u hypertermofilů, u nichž je známo, že existuje reverzní gyráza. Rodriguez a Stock provedli další práci k identifikaci „západky“, která se podílí na komunikaci hydrolýzy ATP se zavedením pozitivních supercoil.
Varianta topo III je rovněž velmi zajímavá, protože má motivy vázající zinek, o nichž se předpokládá, že váží jednovláknovou DNA. Bylo zjištěno, že Topo III je během rekombinace spojen s helikázou BLM (pro Bloomův syndrom).
Mechanismus
Topoizomerázy typu IA fungují prostřednictvím mechanismu průchodu vláknem pomocí jediného hradla (na rozdíl od topoizomeráz typu II). Nejprve jednovláknová DNA váže doménu III a I. Katalytický tyrosin štěpí páteř DNA a vytváří přechodný 5 'fosfotyrosinový meziprodukt. Zlom se potom oddělí za použití domény II jako závěsu a prochází se druhým duplexem nebo řetězcem DNA. Doména III a já se uzavírají a DNA se znovu žíhá.
Topoizomerázy typu IB


Úvod
Na rozdíl od topoizomeráz typu IA řeší topoizomeráza typu 1B problém přetočení a přetočení (také označované jako pozitivně nebo negativně nadšroubovicová) DNA prostřednictvím bráněného rotačního mechanismu. Krystalové struktury, biochemie a experimenty s jednou molekulou přispěly k obecnému mechanismu. Enzym se nejprve obalí DNA a vytváří jediný, 3 'fosfotyrosinový meziprodukt. 5 'konec se potom může volně otáčet, kroucením kolem druhého vlákna uvolňovat DNA, dokud topoizomeráza znovu liguje zlomená vlákna.
Struktura
Struktura topo IB vázaného na DNA byla vyřešena (pdb id = 1A36). Topo IB se skládá z NTD, zakončovacího laloku, katalytického laloku a C-terminální domény. Uzavírací lalok a katalytický lalok obklopují DNA.
Mechanismus
Relaxace není aktivní proces a energie (ve formě ATP ) se nepoužívá během kroků škrábání nebo ligace; je to proto, že reakce mezi tyrosin zbytek na Aktivní stránky enzymu s fosfodiester Páteř DNA jednoduše nahradí jednu fosfomonoesterovou vazbu jinou. Topoizomeráza také nepoužívá ATP během odvíjení DNA; spíše točivý moment přítomný v DNA řídí odvíjení a postupuje v průměru energeticky z kopce. Nedávné experimenty s jednou molekulou potvrdily to, co dříve navrhly relaxační experimenty s hromadným plazmidem, tedy to, že odvíjení DNA je řízeno točivým momentem a probíhá, dokud nedojde k náboženství. Žádná data nenaznačují, že by Topo IB „ovládal“ natáčení, pokud má zavedený mechanismus, který spouští náboženství po odstranění určitého počtu supercoilů. Naopak experimenty s jednou molekulou naznačují, že náboženství je náhodný proces a má určitou pravděpodobnost, že se vyskytne pokaždé, když se otočný 5'-OH konec dostane do těsné blízkosti místa připojení 3'-konce spojeného s enzymem.
Topoizomerázy typu IB byly původně identifikovány u eukaryotů a virů. Virové topo I je jedinečné, protože váže DNA sekvenčně specifickým způsobem.
Viz článek TOP1 pro další podrobnosti o této dobře prostudované topoizomeráze typu 1B.
Typ IC topoizomerázy
V archeonu byl identifikován třetí typ topoizomerázy I, topo V Methanopyrus kandleri. Topo V je zakládajícím členem a zatím jediným členem topoizomerázy typu IC, ačkoli někteří autoři naznačují, že může mít virový původ.[8] Krystalová struktura topo V byla vyřešena.[9] Topoizomerázy typu IC fungují prostřednictvím řízeného rotačního mechanismu, podobně jako topoizomerázy typu IB[10](pdb ID = 2 CSB a 2CSD ), ale záhyb je jedinečný.
Meziprodukty
Všechny topoizomerázy tvoří fosfotyrosinový meziprodukt mezi katalytickým tyrosinem enzymu a scissile fosforyl páteře DNA.
- Topoizomerázy typu IA tvoří kovalentní vazbu mezi katalytickým tyrosinem a 5'-fosforylem.
- Enzymy typu IB tvoří kovalentní 3'-fosfotyrosinový meziprodukt.
- Topoizomerázy typu 1C tvoří kovalentní 3'-fosfotyrosinový meziprodukt.
Tento meziprodukt je izoenergetický, což znamená, že dopředná štěpná reakce a zpětná náboženská reakce jsou energeticky stejné. K provedení této reakce není nutný žádný vnější zdroj energie.
Inhibice
Protože topoizomerázy generují zlomy v DNA, jsou terčem inhibitorů s malou molekulou, které inhibují enzym. Topoizomeráza typu 1 je inhibována irinotekan, topotekan a kamptotecin.
Enzym lidské topoizomerázy typu IB tvoří kovalentní meziprodukt 3'-fosfotyrosinu, komplex štěpení topoizomerázy 1 (Toplcc). The aktivní metabolit irinotekanu, SN-38, působí chycením (vytvoření a ternární komplex s) podskupina Top1cc, ti s guaninem +1 v sekvenci DNA.[11] Jedna molekula SN-38 odvozená z irinotekanu se hromadí proti párům bází lemujícím místo štěpení indukované topoizomerázou a otráví (inaktivuje) topoizomeráza 1 enzym.[11]
Na bakteriofág (fág) T4 infekce bakteriálního hostitele, Escherichia coli, fág genom specifikuje a genový produkt (gp55.2), který inhibuje bakteriální topoizomerázu I.[12] Gp55.2 váže DNA a specificky blokuje relaxaci negativně nadšroubovicové DNA topoizomerázou I. Tato inhibice se jeví jako adaptace k jemné modulaci aktivity hostitelské topoizomerázy I během infekce k zajištění optimálního výtěžku fága.
Syntetická letalita
Syntetická letalita vzniká, když kombinace nedostatků v expresi dvou nebo více genů vede k buněčné smrti, zatímco nedostatek pouze v jednom z těchto genů ne. Nedostatky mohou vzniknout mutací, epigenetickou alterací nebo inhibicí genové exprese.
Inhibice topoizomerázy 1 je synteticky letální s nedostatkem exprese určitých genů pro opravu DNA. U lidských pacientů patří deficitní geny pro opravu DNA WRN[13] a MRE11.[14] v předklinické studie v souvislosti s rakovinou patří deficitní geny pro opravu DNA bankomat[15] a NDRG1.[16][17]
Autoprotilátky
Autoprotilátky cílené proti topoizomeráze typu I se nazývají anti-Scl-70 protilátky, pojmenovaný sdružením s scleroderma a 70 kD extrahovatelný imunoreaktivní fragment, který lze získat z jinak větší (100-105 kD) cílové topoizomerázy antigen (nazývané SCL-70 antigen) protilátek.[18]
Reference
- ^ Wang JC (červen 2002). "Buněčné role DNA topoizomeráz: molekulární perspektiva". Nat. Rev. Mol. Cell Biol. 3 (6): 430–40. doi:10.1038 / nrm831. PMID 12042765.
- ^ Champoux JJ (2001). "DNA topoizomerázy: struktura, funkce a mechanismus". Annu. Biochem. 70: 369–413. doi:10,1146 / annurev.biochem.70.1.369. PMID 11395412.
- ^ Sharma A; Hanai R; Mondragón A (srpen 1994). „Krystalová struktura aminoterminálního fragmentu DNA viru vakcínie topoizomerázy I v rozlišení 1,6 A“. Struktura. 2 (8): 767–77. doi:10.1016 / s0969-2126 (94) 00077-8. PMID 7994576.
- ^ Roca J (duben 1995). "Mechanismy DNA topoizomeráz". Trends Biochem. Sci. 20 (4): 156–60. doi:10.1016 / s0968-0004 (00) 88993-8. PMID 7770916.
- ^ Gadelle D, Filée J, Buhler C, Forterre P (březen 2003). "Fylogenomika topoizomeráz DNA II. Typu". BioEssays. 25 (3): 232–42. doi:10,1002 / bies.10245. PMID 12596227.
- ^ Lima, C. D .; Wang, J. C .; Mondragón, A (1994). „Trojrozměrná struktura 67K N-koncového fragmentu E. coli DNA topoizomerázy I“. Příroda. 367 (6459): 138–46. doi:10.1038 / 367138a0. PMID 8114910.
- ^ Changela, A; Digate, R. J .; Mondragón, A (2001). „Krystalová struktura komplexu topoizomerázy DNA typu IA s jednovláknovou molekulou DNA“. Příroda. 411 (6841): 1077–81. doi:10.1038/35082615. PMID 11429611.
- ^ Forterre P (červen 2006). „DNA topoizomeráza V: nový záhyb tajemného původu“. Trends Biotechnol. 24 (6): 245–7. doi:10.1016 / j.tibtech.2006.04.006. PMID 16650908.
- ^ Taneja B, Patel A, Slesarev A, Mondragón A (leden 2006). „Struktura N-terminálního fragmentu topoizomerázy V odhaluje novou rodinu topoizomeráz“. EMBO J.. 25 (2): 398–408. doi:10.1038 / sj.emboj.7600922. PMC 1383508. PMID 16395333.
- ^ Taneja, B; Schnurr, B; Slesarev, A; Marko, J. F .; Mondragón, A (2007). „Topoizomeráza V uvolňuje nadšroubovicovou DNA pomocí omezeného otočného mechanismu“. Sborník Národní akademie věd. 104 (37): 14670–5. doi:10.1073 / pnas.0701989104. PMC 1976220. PMID 17804808.
- ^ A b Pommier Y (2013). „Drogové topoizomerázy: lekce a výzvy“. ACS Chem. Biol. 8 (1): 82–95. doi:10.1021 / cb300648v. PMC 3549721. PMID 23259582.
- ^ Mattenberger Y, Silva F, Belin D. 55.2, fágový T4 ORFan gen, kóduje inhibitor topoizomerázy I z Escherichia coli a zvyšuje kondici fága. PLoS One. 2015 Duben 14; 10 (4): e0124309. doi: 10,1371 / journal.pone.0124309. PMID: 25875362; PMCID: PMC4396842
- ^ 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) . „Epigenetická inaktivace genu pro předčasné stárnutí Wernerova syndromu u lidské rakoviny“. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 103 (23): 8822–7. doi:10.1073 / pnas.0600645103. PMC 1466544. PMID 16723399.
- ^ Pavelitz T, Renfro L, Foster NR, Caracol A, Welsch P, Lao VV, Grady WB, Niedzwiecki D, Saltz LB, Bertagnolli MM, Goldberg RM, Rabinovitch PS, Emond M, Monnat RJ, Maizels N (2014). „Nedostatek MRE11 spojený se zlepšeným dlouhodobým přežitím bez onemocnění a celkovým přežitím v podskupině pacientů s rakovinou tlustého střeva ve III. Stadiu v randomizované studii CALGB 89803“. PLOS ONE. 9 (10): e108483. doi:10.1371 / journal.pone.0108483. PMC 4195600. PMID 25310185.
- ^ Subhash VV, Tan SH, Yeo MS, Yan FL, Peethala PC, Liem N, Krishnan V, Yong WP (2016). „Exprese ATM předpovídá citlivost veliparibu a irinotekanu na rakovinu žaludku zprostředkováním nezávislé regulace P53 buněčného cyklu a apoptózy“. Mol. Cancer Ther. 15 (12): 3087–3096. doi:10.1158 / 1535-7163.MCT-15-1002. PMID 27638859.
- ^ 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). „Identifikace cetrimoniumbromidu a irinotekanu jako sloučenin se syntetickou letalitou proti buňkám rakoviny prostaty s deficitem NDRG1“. Cancer Biol. Ther. 14 (5): 401–10. doi:10,4161 / cbt.23759. PMC 3672184. PMID 23377825.
- ^ Dominick G, Bowman J, Li X, Miller RA, Garcia GG (2016). „mTOR reguluje expresi enzymů odpovědi na poškození DNA u myší Snell s dlouhým poločasem rozpadu, GHRKO a PAPPA-KO myší“. Stárnoucí buňka. 16 (1): 52–60. doi:10.1111 / acel.12525. PMC 5242303. PMID 27618784.
- ^ Název produktu: SCL-70 Antigen Archivováno 2006-03-19 na Wayback Machine na ImmunoVision.com, vyvoláno v dubnu 2011
externí odkazy
- DNA + topoizomerázy, + typ + I. v americké národní lékařské knihovně Lékařské předměty (Pletivo)