拓扑异构酶详细数据收集
中文名:拓扑异构酶mbth:异构酶简介:存在于细胞核中的一类酶的特点:能催化DNA链的断裂和结合。简介，临床使用，分类，第一类，第二类，化学反应，用途，功能，新发现，简介DNA拓扑异构酶是存在于细胞核中的一类酶，能催化DNA链的断裂和结合，从而控制DNA的拓扑状态。拓扑异构酶参与超分子。哺乳动物中主要有两种拓扑异构酶。DNA拓扑异构酶I通过形成短的单链切割-结合循环来催化DNA复制的拓扑异构状态的改变；相反，拓扑异构酶II可以通过引起瞬时双链酶桥断裂，然后打开和重新关闭来改变DNA的拓扑状态。哺乳动物拓扑异构酶ⅱ可分为αⅱ型和βⅱ型。拓扑异构酶毒素的抗肿瘤活性与其对酶-DNA可裂解复合物的稳定性有关。这些药物可以通过稳定酶-DNA可裂解复合物来有效地将酶转化为纤维蛋白溶解。临床上使用的这些药物有阿霉素、放线菌素D、柔红霉素、VP-16、VM-26(替尼泊苷或表鬼臼毒素)。相对而言，无论在临床还是实验阶段，双苯并咪唑和四苯并咪唑更常用作哺乳动物异构酶ⅱ型毒素(陈等，Cancer Res. 1993，53，1332-1335；孙等，医学化学杂志1995，38，3638-3644；金等人，医学博士。化学。1996，39，992-998)，一些白屈菜碱生物碱(苯并[c]苯并蒽吡啶)和原小檗碱生物碱及其合成类似物(Makhey等，Med .化学。第65438号决议+)。Janin等人，J.Med.Chem.1975，18，708-713；Makhey等人，Bioorg。& Med.chem.1996，4，781-791)，和bulgerain(Fujii等人，J.Biol.Chem.1993，268，)和sainin(Yamashita等人，生物化学。5838-5845)和吲哚并咔唑(Yamashita等人，生物化学1992，31，12069-12075)。已鉴定的其他拓扑异构酶毒素包括白屈菜碱和cinnoline化合物的某些生物碱(参见LaVoie等人，美国专利6140328和WO01/32631)。尽管这些化合物有很大的用途，但由于它们的低溶解度，它们的应用受到限制。在2006年6月5438+10月底，美国专利局授予新泽西大学四项专利，分别是针对异构酶的氨基和硝基取代药物的合成和应用。分类可以分为两类:一类叫拓扑异构酶I，一类叫拓扑异构酶II。拓扑异构酶I催化DNA链的断裂和重连，一次只作用于一条链，即催化单链的瞬间断裂和重连。它们不需要能量辅因子，如ATP或NAD。大肠杆菌DNA拓扑异构酶I也叫ω蛋白，鼠肝DNA拓扑异构酶I也叫切口关闭酶。拓扑异构酶II可以同时断裂和连接两条DNA链。它们通常需要能量辅因子ATP。在拓扑异构酶ⅱ中，可分为两个亚类:一个亚类是DNA回旋酶，其主要功能是引入负超螺旋，在DNA复制中起着非常重要的作用。迄今为止，只在原核生物中发现了DNA回旋酶。另一个亚类是将超螺旋DNA(包括正超螺旋DNA和负超螺旋DNA)转化为没有超螺旋DNA的松弛形式。虽然这个反应是热力学有利的方向，但我不知道为什么他们还需要像DNA回旋酶一样的ATP，这可能与恢复酶的构象有关。这种酶在原核生物和真核生物中都有。第一类DNA拓扑异构酶可以催化很多反应，这里只能简单描述一下。DNA拓扑异构酶I对单链DNA的亲和力远高于双链，这是其识别负超螺旋DNA的分子基础，因为负超螺旋DNA往往具有一定程度的单链区域。负超螺旋越高，DNA拓扑异构酶I作用越快。现在知道生物体内的负超螺旋稳定在5%左右，低了高了都不行。该生物通过拓扑异构酶1和II的相反作用使负超螺旋达到稳定状态。已经发现编码大肠杆菌拓扑异构酶I的基因A的突变会引起回旋酶基因的补偿性突变。否则，负超螺旋增加，细胞活力下降。拓扑异构酶I的碱基序列特异性不高，但切点必须在C下游4个碱基(包括C本身)。DNA单链被切断后，拓扑异构酶I附着在切口的5-末端，水解磷酸二酯键的能量被储存起来用于附着切口，因此拓扑异构酶I的功能不需要能量供给。此外，拓扑异构酶I还能促进两个单链的复性，其作用是减轻复性过程中产生的链数负压，使复性过程进行到底。如果单个链接的一部分被切断，另一部分绕过切口，就可以产生三叶形结结构分子。如果有两个双链，其中一个有缺口，拓扑异构酶1可以切断缺口对面的链，把完整的双链放进去，然后连接起来形成连环链。以上三种反应如右图所示。拓扑异构酶I还可以催化其他反应，这将在复制和重组的机制中讨论。第二种大肠杆菌的拓扑异构酶II(回旋酶)除了引入负超螺旋之外，还具有形成或分解双链DNA环和结合分子的能力。ⅱ类拓扑异构酶没有碱基序列特异性，它们可以结合任何两对交叉的双链DNA。DNA回旋酶有两个α亚基和两个β亚基。α亚基约为105KDa，由gyrA基因编码，具有磷酸二酯酶活性，可被萘啶酸抑制。A亚基约95KD，由graB基因编码，具有ATP酶活性，可被新生霉素抑制。这两种药物都能抑制野生型大肠杆菌的DNA复制。可以看出，DNA回旋酶是大肠杆菌在切割DNA双链后复制所不可缺少的，切口的5’端结合了两个A亚基，并储存了水解磷酸二酯键获得的能量。由于酶的完整性，DNA链的四个末端不可能任意旋转。由于酶的变构作用，完整的双链穿过切口，然后重新形成磷酸二酯键。β亚基的作用是水解ATP，使酶分子恢复原来的构象，用于下一轮反应。用ATP同系物β，γ-亚氨基ATP代替ATP可以证实这一点。由于这种同系物不能被DNA回旋酶水解，所以可以促进第一轮拓扑异构化反应，增加负超螺旋，阻碍以后进一步的拓扑异构化反应。化学反应DNA拓扑异构酶催化许多反应，其本质是先切断DNA的磷酸二酯键，再改变DNA的连接数后再连接，具有核酸内切酶和DNA连接酶的功能。然而，它们不能连接预先存在的断裂DNA，也就是说，它们的切割反应和连接反应是相互耦合的。拓扑异构酶(包括I型和II型)可以用符号转换模型来解释(左下方)。除了DNA拓扑异构酶，许多试剂，尤其是片状染料分子，可以嵌入相邻碱基之间，影响碱基聚集，也可以改变DNA的拓扑状态。最明显的例子是溴化乙锭。比如以SV40的CCC分子与溴化乙锭的结合试验为例，在没有染料的情况下，这个DNA是负超螺旋，沉降常数很高(21s)；当染料分子与核苷酸的比例为0.05时，沉降数下降到l6S，DNA处于松弛状态，没有超螺旋。当染料分子与核苷酸的比例增加到0.09时，沉降常数上升到约21S，DNA分子为正超螺旋。这个关系如上图右图所示，但需要注意的是溴化乙锭并没有改变Lk值，只是溴化乙锭分子的包埋增加了局部DNA二级结构的紧密结合状态。因此，随着嵌入染料分子数量的增加，负超螺旋先减少并消失，然后正超螺旋增加。这与单链DNA结合蛋白促进负超螺旋转化为气泡结构的情况类似。异构酶:一种通过切断一条或两条DNA链中的磷酸二酯键，然后重新缠绕并密封来改变DNA序列号的酶。DNA回旋酶。DNA异构酶是催化DNA拓扑异构体转化的酶的总称。为了分析体外反应机理，以环状DNA为底物，催化DNA链断开和结合的偶联反应。在闭环双链DNA的拓扑变换中，要将DNA的一条或两条链暂时切断，根据异构化方式分为两种。通过切割一条链来改变拓扑结构的拓扑异构酶ⅱI称为-异构酶ⅰI，通过切割两条链来进行的拓扑异构酶ⅱ称为。作为I型拓扑异构酶，存在于各种真核细胞中的有大肠杆菌的ω-蛋白(由分子量为110000的单个多肽链组成)和切口闭合酶(分子量约为65000-70000，分子量约为10000)。ⅱ型拓扑异构酶包括细菌中的DNA回旋酶、噬菌体T4中的拓扑异构酶ⅱ和真核细胞中依赖ATP的拓扑异构酶ⅱ。此外，λ噬菌体的irt基因产物和φX174噬菌体的基因A产物也具有切割结合酶的活性，可认为是拓扑异构酶之一。I型拓扑异构酶在没有ATP能量的情况下催化异构化。作为反应的中间产物，在原核生物中，游离的5’-OH末端与3’-磷酸末端连接，与酶形成价键，而在真核生物中，3’-OH末端的5’-磷酸末端与酶形成价键。储存在酯键中的能量可能在断裂末端的重组中起作用。I型拓扑异构酶催化的反应如下:在每次切割结合反应中，超螺旋DNA(见DNA的拓扑异构体)的L数发生变化，即松弛。互补的单链环状DNA转变成具有螺旋结构的双链环状DNA，从而使单链DNA逻辑打结或解开。此外，当两个环状双链DNA的一个分子的一条链被切断时，形成链状环状二聚体分子(ca-tenane)。在ⅱ型拓扑异构酶中，DNA回旋酶可以催化闭环DNA单独产生超螺旋，这是唯一的。另外两类酶既能松弛超螺旋又需要ATP能量，还能催化促旋酶的催化反应。真核拓扑异构酶ⅰ参与核小体的形成，细菌ω蛋白参与转录和一些转座子的插入。环氧合酶和T4拓扑异构酶ⅱ参与DNA复制和转录过程。I (DNA拓扑异构酶I催化四种反应:①超螺旋的松弛；(2)结的形成；③环状双链分子的形成；④环状双链分子的连接。这种酶来源于小牛胸腺，不同于来源于原核生物的酶，即使在没有Mg2+的情况下也表现出活性。而且来自原核生物的DNA拓扑异构酶I只作用于负链超螺旋分子，而这种酶可以使正负超螺旋分子都形成松散形式。目的DNAⅱ型拓扑异构酶ⅱ型拓扑异构酶巧妙地完成了打开DNA双螺旋的过程。它切割DNA的双螺旋结构，并让另一个螺旋穿过缺口，之后一个双螺旋被打开。这里显示的图片是由两种蛋白质构建而成:编号为1bgw的蛋白质具有拓扑异构酶的下半部分结构，另一种编号为1eil的蛋白质来自一种旋转酶的结构域，与拓扑异构酶的上半部分非常相似。拓扑异构酶具有很高的催化活性，它有一些类似“门”的结构，控制DNA进入它上面的两条裂缝。在这里，红色显示的两个酪氨酸与DNA链结合并形成价键，这种紧密结合模式一直到DNA恢复。作用是放松超级螺旋。所谓的超螺旋是DNA中张力积累的一种形式。拓扑异构酶抑制剂是一种重要的抗肿瘤药物，被认为是通过稳定拓扑异构酶与DNA之间形成的价复合物来发挥作用，进而为DNA复制机制设置障碍。科学家们仍然不太了解以拓扑异构酶为靶点的药物的起源。这一期的封面图片显示了该药物引起的阳性DNA超螺旋的积累。这种DNA的超级缠结会阻碍一种DNA聚合酶的进程，还可能起到阻止或破坏复制叉的作用，导致细胞死亡。DNA螺旋与拓扑异构酶相互作用的新发现荷兰人领导的一个国际研究小组在分子水平上破解了自然释放DNA中积累的扭曲张力的机制。来自代尔夫特理工大学、法国高等师范学院和斯隆-凯特林研究所的研究人员在3月31期的《自然》杂志上发表了他们的研究结果，成为了这一期的封面。IB型拓扑异构酶可以释放DNA链中积累的扭矩。在研究过程中，研究人员可以在分子水平上跟踪单个DNA分子上单个拓扑异构酶分子的活动一段时间。拓扑异构酶可以容纳DNA，切割两条DNA链中的一条，并在重新连接粘性末端之前使DNA伸展。在灵敏的检测仪器的帮助下，研究人员可以测量不同的参数，例如酶腔中旋转DNA的摩擦力。这项研究对DNA和这种酶的相互作用有了新的认识。DNA的两条单链拧在一起形成双螺旋结构，而双链的碱基对序列存储着遗传信息。在细胞分裂过程中，遗传物质被复制，负责复制的酶必须能够转录这些碱基序列。但是要实现这个过程，必须把DNA需要转录的部分拉直。DNA分子的这种缠绕和拉伸产生了扭转，扭转的幅度随着细胞分裂的发展而增加。这种力可以延迟细胞分裂的过程，甚至在某些情况下使其停止，而IB拓扑异构酶可以减少这些扭转力。这种酶释放DNA扭转的步骤如下:拓扑异构酶先像夹子一样夹住双链DNA，然后瞬间穿过两条DNA链中的一条。这种在DNA分子中积累的扭曲随后在整个链附近逐渐消失。旋转后，酶再次抓住旋转的DNA并重新连接断裂的链。研究人员能够确定这种拓扑异构酶在剪切和粘附之间分离的超螺旋的准确数量。IB拓扑异构酶的精确机制对癌症研究也具有重要意义。可以抑制IB拓扑异构酶功能的药物已经在临床上使用，但在获得这些发现后，其使用可能会有所改善。