拓扑异构酶
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拓扑异构酶
- DNA 拓扑异构酶 （或拓扑异构酶 ）是催化 DNA 拓扑状态变化、相互转换松弛和超螺旋形式、连接（链状）和未连接物种以及打结和未打结的 DNA 的酶。
- DNA 中的拓扑问题是由于其双螺旋结构的交织性质而出现的，例如，这可能导致 DNA 双链体在 DNA 复制和转录过程中过度缠绕。如果保持不变，这种扭转最终会阻止参与这些过程的 DNA 或 RNA 聚合酶沿着 DNA 螺旋继续。第二个拓扑挑战是由于复制过程中 DNA 的连接或缠结。如果不解决，复制的 DNA 之间的联系会阻碍细胞分裂。
- DNA 拓扑异构酶可预防和纠正这些类型的拓扑问题。它们通过与 DNA 结合并切割 DNA 链的一个（I 型拓扑异构酶）或两者（II 型拓扑异构酶）的糖磷酸骨架来实现这一点。这种瞬时断裂使 DNA 被解开或解开，并且在这些过程结束时，DNA 骨架被重新密封。由于 DNA 的整体化学组成和连接性不会改变，因此 DNA 底物和产物是化学异构体，仅在拓扑结构上有所不同。
拓扑异构酶的发现
- 第一个 DNA 拓扑异构酶是由 James C. Wang 于 1971 年在细菌中发现的，最初命名为 ω（omega）蛋白; 它现在被称为大肠杆菌 （E. coli） 拓扑异构酶 I （topo I），是 IA 型酶家族的代表。
- 随后，James Champoux 和 Renato Dulbecco 在真核细胞（大鼠肝脏）中发现了类似的活性; 负责的酶真核生物 topo I 具有独特的机制，是 IB 型家族的代表。
- 第一个被发现的 II 型拓扑异构酶是来自细菌的 DNA 促旋酶 ，由 Martin Gellert 及其同事于 1976 年发现， Nicholas Cozzarelli 及其同事也对其进行了表征。DNA 旋转酶催化负超螺旋引入 DNA，是唯一执行此作的 II 型酶，所有其他酶都催化 DNA 松弛。II 型酶在机制上与 I 型酶的不同之处在于它是 ATP 依赖性的，并且瞬时切割两条 DNA 链，而不仅仅是一条。
- 随后从细菌病毒和真核生物中鉴定出 II 型拓扑异构酶。 拓扑 EC 代码如下：ATP 非依赖性（I 型），EC 5.6.2.1;ATP 依赖性（II 型）：EC 5.6.2.2。I 型拓扑异构酶中的例外是反向旋转酶，它包含一个解旋酶结构域 （EC 3.6.4.12） 并以 ATP 依赖性方式引入正超螺旋。 因此，它是唯一被归类为 EC 5.6.2.2 的 I 型拓扑异构酶。
拓扑异构酶类型
TypeⅠ：这些酶通过 DNA 中的瞬时单链断裂催化 DNA 拓扑结构的变化。反应可以发生在单链和双链 DNA 底物上，并且可以通过“旋转”或“链通道”机制进行。反应范围包括：DNA 超螺旋弛豫、单链环的解开和脱节，前提是至少有一个伴侣具有单链区域。在古细菌酶反向旋转酶的情况下，DNA 的正超螺旋是可能的。
- Type I A：IA 型是单体的，与 DNA 的单链片段结合。它们通过在酶中的酪氨酸和 DNA 中的 5′-磷酸之间形成酪氨酰磷酸键来引入瞬时单链断裂。发生断裂的 DNA 片段称为“门”或 G 段，其切割允许另一段 DNA 通过，即“转运”或 T 段，以“链通道”过程通过。 随后是 G 段的连接。为了发生链传代，拓扑 IA 必须发生构象变化以打开 DNA 门并允许 T 段转移。在 DNA 弛豫反应过程中，这个过程会使 DNA 的连接数改变 +/-1。IA 型拓扑异构酶的实例包括原核拓扑 I 和 III、真核拓扑 IIIα 和 IIIβ 以及古细菌反向旋转酶。逆旋转酶存在于嗜热古细菌中，由与解旋酶偶联的 IA 型 拓扑结构组成，是已知的唯一可以将正超螺旋引入 DNA 的酶。 编码反向旋转酶的基因也存在于一些嗜热细菌群中，它可能是通过来自古细菌的水平基因转移而转移的。
- Type ⅠB：IB 型拓扑异构酶通过在酶中的酪氨酸和 DNA 中的 3′-磷酸之间形成酪氨酰磷酸键来催化涉及 DNA 中瞬时单链断裂的反应。这些酶不是利用链通道机制，而是通过裂解链围绕完整链的“旋转”或“受控旋转”来发挥作用。 这种受控旋转机制首先被描述用于牛痘 I，它允许 DNA 自由端围绕完整链旋转，速度由酶腔内的“摩擦”控制，然后缺口被重新连接。这导致每个切割和连接事件的连接数发生变化。这种机制与 IA 型酶的机制不同，两组酶在结构和进化上无关。IB 型拓扑异构酶的例子包括真核核和线粒体拓扑 I 以及病毒拓扑 I，尽管它们已在生命的所有三个领域中被鉴定。
- Type ⅠC：IC 型拓扑异构酶与 IB 型酶具有相似的机制，但在结构上不同。唯一的代表是 topo V，发现于超嗜热菌 Methanopyrus kandleri。
Type Ⅱ：II 型拓扑异构酶通过 DNA 中的瞬时双链断裂催化 DNA 拓扑结构的变化。反应发生在双链 DNA 底物上，并通过链通道机制进行。反应范围包括 DNA 松弛、DNA 超螺旋、解结和脱卡合。虽然所有 II 型拓扑异构酶都可以催化 DNA 松弛，但旋转酶是一种原型细菌拓扑异构酶，也可以引入负超螺旋。与通常是单体的 I 型拓扑异构酶相比，II 型拓扑异构酶是同型二聚体或异四聚体。根据进化、结构和机械考虑，它们分为两个亚型。II 型 拓扑结构的一般链通道机制始于在 DNA 门处结合一个 DNA 双链体，称为门段（G 段）。另一个双链体，称为运输段（T 段），被 ATP 作的夹捕获并通过 G 段的瞬时断裂，涉及两条链中的 5ʹ 磷酸酪氨酸键，然后通过 C 门释放，G 段被重新连接。酶周转需要 ATP 的结合和水解。
- Type ⅡA：IIA 型拓扑异构酶通过在酶中的酪氨酸（每个亚基上一个）和 5′-磷酸盐之间形成酪氨酰磷酸键来催化 DNA 中的瞬时双链断裂，这些酪氨酸磷酸键在相反的 DNA 链中被 4 个碱基交错排列。链通道反应可以是分子内或分子间反应，因此允许分别改变超螺旋和打结或解钩。这个过程将 DNA 的连接数改变 +/-2。IIA 型拓扑异构酶的实例包括真核生物 topo IIα 和 topo IIβ，以及细菌旋转酶和 topo IV。DNA 旋转酶与其他 II 型酶具有相同的双链通过机制，但具有独特的特征，即它能够将负超螺旋引入 DNA。G 段是包裹在酶周围的更长 DNA 片段 （>100 bp） 的一部分，其一个臂形成通过双链断裂的 T 段。在旋转酶的情况下，来自 ATP 水解的大量自由能被转导到 DNA 中的扭转应力，即超螺旋是一个需要能量的过程。 此外，在没有 ATP 的情况下，旋转酶能够在较慢的 DNA 弛豫反应中去除负超螺旋。
- Type ⅡB：IIB 型还通过酶中的酪氨酸与 DNA 相反链中的 5'-磷酸之间酪氨酰磷酸键的形成催化瞬时双链断裂，但在 IIB 酶的情况下，双链断裂具有 2 个碱基的交错。IIB 型酶显示出重要的结构差异，但在进化上与 IIA 型酶相关。这些差异包括缺少一个蛋白质“门”（C 门）。它们最初存在于古细菌中，也存在于真核生物中，尤其是在植物中;示例包括 topo VI 和 topo VIII。Topo VI 是该亚型中研究最深入的酶，被认为是一种优先的癸链酶。