ДНК-гираза

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск

ДНК-гира́за (или просто гира́за) — фермент бактерии E. coli и других прокариот, относится к группе топоизомераз, вызывающий образование отрицательных супервитков в релаксированной кольцевой молекуле ДНК. Хотя ДНК-гираза относится к топоизомеразам типа II и так же, как они, вносит двуцепочечные разрывы в ДНК, она осуществляет это без затрат энергии АТФ[1].

В 2007 году гираза была описана у паразитического простейшего Plasmodium falciparum из типа апикомплексы. В отличие от гиразы E. coli, она требует затрат АТФ[2].

Бактериальная ДНК-гираза необходима для протекания репликации ДНК. Она является мишенью многих антибиотиков, например, налидиксовой кислоты, новобиоцина[en] и ципрофлоксацина.

ДНК-гираза была описана в М. Геллертом с соавторами в 1976 году[3].

Механизм[править | править вики-текст]

Механизм образования отрицательных супервитков ДНК-гиразой

В общих чертах механизм действия ДНК-гиразы таков. Она взаимодействует с ДНК так, что ДНК наматывается вокруг неё. В тех местах ДНК, что связаны с гиразой, возникает положительная сверхспирализация. После этого фермент вносит в ДНК двуцепочечный разрыв и переносит двойную нить с внутренней стороны на внешнюю. После этого гираза сшивает оба разрыва, превращая, таким образом, положительные супервитки в отрицательные[1]. Скорость работы гиразы достигает около 100 супервитков в минуту[3].

Описанная выше модель действия ДНК-гиразы подтверждается рядом экспериментальных данных. Известно, что вокруг фермента обвивается часть ДНК длиной приблизительно 120 н. п. Точнее, гираза представляет собой тетрамер, и ДНК соединяется с ферментом в двух сайтах. Было также обнаружено, что взаимодействие ДНК и фермента не ограничивается внесением двуцепочечного разрыва: 5'-конец ДНК связывается с 122 аминокислотным остатком (тирозин) гиразы (субъединица А, см. ниже), а 3'-OH конец остаётся свободным. Поскольку связывание ДНК и гиразы является специфическим, в ДНК E. coli было обнаружено 2 специфических сайта со следующей консенсусной последовательностью[en]: 5'-RNNNRNNRTGRYCTYNYNGNY-3'[4].

Было установлено, что разрыв происходит между нуклеотидами TG (выделено выше). Во всём геноме E. coli предположительно имеется порядка 45—50 крупных сайтов связывания с ДНК-гиразой, однако это не означает, что все они функциональны. Имеется также почти 10 тысяч сайтов, где имеется слабое связывания ДНК и гиразы. Это означает, что крупные сайты составляют приблизительно 0,5% от всех возможных сайтов связывания. Однако даже эти сайты в подавляющем большинстве случаев не проявляют никакой активности и работают лишь когда гираза находится в чрезвычайно высокой концентрации[4].

Известно, что для образования двух отрицательных супервитков (то есть для осуществления одного каталитического цикла) необходимо 2 молекулы АТФ. Однако эксперименты по работе гиразы в условиях наличия и отсутствия АТФ дали непредвиденные результаты. Как и предполагалось, наличие АТФ способствует образованию отрицательных супервитков ДНК, но в отсутствие АТФ отрицательные супервитки раскручивались. Из этого следует, что функция гиразы по внесению двуцепочечных разрывов ни активируется, ни находится в зависимости от наличия АТФ[4]. Однако для нормальной работы гиразы АТФ всё-таки необходима.

Гираза E. coli состоит из двух субъединиц: А (GyrA) и В (GyrB). Они гомологичны белкам С и Е топоизомеразы IV[en], а также С- и N-концевым доменам эукариотической топоизомеразы II[en] соответственно[5]. Было показано, что субъединица В обладает очень слабой АТФазной активностью, которая очень сильно стимулируется наличием субстрата (то есть АТФ), ДНК и субъединицы А. Субъединица А вносит двуцепочечный разрыв (для этого процесса АТФ не нужен), субъединица В переносит одну из цепей (это осуществляется с затратой АТФ), а затем субъединица А сшивает цепи. Опытным путём было установлено, что активация фермента происходит лишь тогда, когда обе его субъединицы свяжутся с ДНК[4].

Биологическая роль[править | править вики-текст]

Как было показано выше, гираза обладает способностью релаксировать положительные супервитки, заменяя их отрицательными. Это делает гиразу чрезвычайно важной для процесса репликации ДНК. Когда по ДНК движется ДНК-полимераза, впереди фермента образуются положительные супервитки, поскольку спираль ДНК правозакручена. Создающееся таким образом напряжение препятствует дальнейшему продвижению ДНК-полимеразы. Эта проблема решается гиразой (а также топоизомеразой IV), релаксирующей положительные супервитки. Таким образом, гираза играет важную роль как в инициации, так и в элонгации и терминации репликации[1].

Взаимодействие с антибиотиками[править | править вики-текст]

ДНК-гираза в комплексе с ДНК и двумя молекулами ципрофлоксацина

Гираза имеется у прокариот и некоторых эукариот, однако у разных видов эти ферменты имеют разную аминокислотную последовательность и пространственную структуру. ДНК-гираза отсутствует у человека, в связи с чем её удобно использовать в качестве мишени для антибиотиков. Существует два класса антибиотиков, направленных на подавление гиразы:

  • Аминокумарины[en] (в том числе новобиоцин). Их действие основано на принципе конкурентного ингибирования[en]: они связываются с АТФ-связывающим сайтом субъединицы В и тем самым нарушают работу фермента.
  • Хинолоны (в том числе налидиксовая кислота и ципрофлоксацин). Хинолоны связываются с гиразой, не давая ей снимать положительные супервитки и таким образом препятствуя репликации ДНК. Устойчивые к хинолонам бактерии имеют мутантные топоизомеразы, не связывающиеся с хинолонами.

Обратная гираза[править | править вики-текст]

Помимо ДНК-гиразы, индуцирующей образование отрицательных супервитков, существует также обратная гираза, вызывающая образование положительных супервитков. На данный момент обратная гираза обнаружена у всех гипертермофильных организмов, в то время как ДНК-гираза обнаружена лишь у мезофилов. Обратная гираза имеется как у бактерий, так и у архей, однако ДНК-гираза обнаружена только у бактерий, хотя у галофильных архей выявлены гены, предположительно кодирующие ДНК-гиразу. Наличие обратной гиразы у термофильных архей связывают с наличием у них генетических элементов (плазмид, вирусных ДНК) в уникальной положительно закрученной форме, в то время как плазмиды мезофильных архей и бактерий отрицательно закручены[5].

Обратная гираза представляет собой уникальную комбинацию классической топоизомеразы I типа и белкового комплекса с хеликазными свойствами. ДНК-гираза, напротив, принадлежит к классическому семейству топоизомераз II типа, однако обладает уникальной способностью образовывать положительный тороидальный супервиток в сегменте ДНК[5].

Примечания[править | править вики-текст]

  1. 1 2 3 Коничев, Севастьянова, 2012, с. 100
  2. Mohd Ashraf Dar, Atul Sharma, Neelima Mondal, Suman Kumar Dhar Molecular Cloning of Apicoplast-Targeted Plasmodium falciparum DNA Gyrase Genes: Unique Intrinsic ATPase Activity and ATP-Independent Dimerization of PfGyrB Subunit // Eukaryot Cell.. — 2007. — Т. 6. — № 3. — С. 398—412. — DOI:10.1128/EC.00357-06
  3. 1 2 Молекулярная биология и генетика. Толковый словарь: ДНК-гираза.
  4. 1 2 3 4 Mechanism of DNA Gyrase.
  5. 1 2 3 Guipaud O., Marguet E., Noll K. M., de la Tour C. B., Forterre P. Both DNA gyrase and reverse gyrase are present in the hyperthermophilic bacterium Thermotoga maritima. // Proc Natl Acad Sci USA.. — 1997. — Т. 94. — № 20. — С. 10606—11.

Литература[править | править вики-текст]

  • Коничев А. С., Севастьянова Г. А. Молекулярная биология. — Издательский центр «Академия», 2012. — 400 с. — ISBN 978-5-7695-9147-1.