6.10:

6.10: ДНК-топоизомеразы

JoVE Core
Molecular Biology

A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.

JoVE Core Molecular Biology

DNA Topoisomerases

Previous Video

6.9: Mismatch Repair

Next Video

6.11: Telomeres and Telomerase

30,624 Views

•

02:02 min

•

November 23, 2020

Топоизомеразы – это ферменты, которые расслабляют суперскрученные молекулы ДНК во время различных клеточных процессов, включая репликацию ДНК и транскрипцию. Эти ферменты регулируют положительную и отрицательную суперспирализацию ДНК без изменения нуклеотидной последовательности. Чрезмерное закручивание ДНК по часовой стрелке приводит к положительной суперспирализации ДНК, тогда как недокручивание в направлении против часовой стрелки производит отрицательную суперспирализацию ДНК.

Типы и механизм действия

Топоизомеразы делятся на два основных типа. Топоизомеразы типа I действуют на одну цепь двухцепочечной ДНК, и они далее подразделяются на три категории: IA, IB и IC. Тип IA образует ковалентную связь с 5'-концом разделенной ДНК и удаляет отрицательные супервитки. Он создает однонитевой разрыв, через который может пройти противоположная нить, что приводит к локально распутанной молекуле ДНК. Тип IB образует ковалентную связь с 3'-концом разрванной цепи ДНК и может ослабить как положительную, так и негативную суперспирализацию ДНК. Фермент вращает разрезанную одиночную цепь вокруг противоположной цепи, раскручивая при этом ДНК. Тип IC в основном встречается у архей и имеет тот же механизм, что и тип IB. Большинству топоизомераз типа I не требуется АТФ для релаксации суперспиральной ДНК. За исключением обратной гиразы – этой уникальной топоизомеразе типа IA требуется АТФ, и она генерирует положительные суперспирали ДНК, а не раскручивает их.

Топоизомеразы типа II являются АТФ-зависимыми ферментами, которые разрезают обе цепи двойной спирали ДНК. Они подразделяются на два подтипа, тип IIA и тип IIB. Эти подтипы отличаются своей структурой и расположением белковых доменов. Оба подтипа имеют схожие механизмы, они переносят петлю неповрежденной суперспиральной ДНК через разорванную двойную цепь, тем самым разматывая спираль на одну петлю. Бактериальная гираза, которая относится к топоизомеразам типа IIA, может вызывать отрицательную суперспирализацию в ДНК и, таким образом, отличается от всех других известных топоизомераз.

Transcript

Разматывание двойной спирали ДНК во время репликации приводит перекручиванию в участках, находящихся перед вилкой репликации. Кроме того, суперспирализация может произойти, когда ДНК скручивается назад на себя из-за неспособности концов ДНК свободно вращаться, чтобы уменьшити напряжение скручивания. Это скручивание препятствует дальнейшему разматыванию ДНК, останавливающей жизненно важные клеточные процессы, например, репликацию ДНК.

Для решения этой проблемы закручивания клетки имеют ферменты, известные как топоизомеразы, которые действуют как нуклеазы и лигазы. То есть, это энзимы обратимо разрывают, а затем снова соединяют фосфодиестровые связи в ДНК для снятия крутильного напряжение в намотанной ДНК. Топоизомеразы делятся на две категории.

Топоизомеразы типа I не зависят от АТФ и действуют, разрезая связь между нуклеотидами на одной цепочке двухцепочечной ДНК. Неповрежденная цепочка ДНК затем проходит через зазор в разорванной цепочке в верхнюю полость фермента. Наконец, фермент перевязывает сломанные концы цепочек ДНК так что они снова вместе, и производит локально расслабленную”молекулу ДНК.

Топоизомеразы типа II, с другой стороны, Зависят от ATФ и воздействуют на суперскрученную ДНК в том месте, где ДНК запутывается вокруг себя. Фермент создает разрыв двойной цепи в одной петле двойной спирали ДНК перед тем как помочь неразорванной петле пройти через этот разрыв путёмреакции, зависящей от АТФ. Затем, используя энергию второго ATФ, топоизомеразы типа II склеивают обратно разорванные концы цепочек ДНК, и наконец отделяются от ДНК, оставляя позади распутанную спираль ДНК.