DNAジャイレース
DNAジャイレース
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EC番号5.6.2.2
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DNA ジャイレース、または単にジャイレースは、トポイソメラーゼのクラスに属する酵素で、タイプ II トポイソメラーゼのサブクラスです[ 1 ]。二本鎖DNAがRNA ポリメラーゼ[ 2 ]または進行中の複製フォークの前でヘリカーゼによって解かれるときに、ATP 依存的に位相歪みを軽減します。[ 3 ] [ 4 ]これは、DNA に負のスーパーコイル形成に積極的に寄与する唯一の酵素として知られていますが、正のスーパーコイルを緩和することもできます。これは、テンプレートをループさせて交差点を形成し、次に二重らせんの 1 つを切断してもう 1 つを通過させてから切断を解除し、各酵素ステップでリンク数を2 つ変更することによってこれを行います。このプロセスは細菌で発生し、細菌の単一の環状 DNA が DNA ジャイレースによって切断され、2 つの末端が互いにねじれてスーパーコイルを形成します。ジャイレースは真核生物のプラスチドにも見られ、マラリア原虫である熱帯熱マラリア原虫のアピコプラスト[ 5 ] [ 6 ]やいくつかの植物の葉緑体[ 7 ]にも見つかっています。細菌のDNA ジャイレースは、ナリジクス酸、ノボビオシン、アルビシジン、シプロフロキサシンなど、多くの抗生物質の標的となっています。

ジャイレースはATP加水分解を犠牲にしてDNAに負のスーパーコイルを導入する独自の能力を持つため[ 1 ]、細菌DNAは自由な負のスーパーコイルを持つことができる。ジャイレースの正のスーパーコイルを緩和する能力は、DNA複製と原核生物の転写において作用する。DNAのらせん構造により、正のスーパーコイルは転座酵素（DNA複製の場合はDNAポリメラーゼ）の前に蓄積する。ジャイレース（およびトポイソメラーゼIV）の正のスーパーコイル緩和能力により、ポリメラーゼ前のスーパーコイルの張力が解放され、複製が継続される。

ジャイレース構造

ジャイレース構造の模式図

DNAジャイレースは、2つのGyrA（「A」）サブユニットと2つのGyrB（「B」）サブユニットからなる四量体酵素である。[ 8 ]構造的には、複合体は3対の「ゲート」から構成され、これらのゲートの開閉によりDNA断片が直接移動し、2つの負のスーパーコイルが形成される。NゲートはGyrBサブユニットのATPaseドメインによって形成される。2つのATP分子が結合すると二量体化が起こり、ゲートは閉じる。一方、加水分解によってゲートは開く。DNAの切断と再結合は、すべてのジャイレースサブユニットによって構築されるDNAゲートに位置する触媒中心によって行われる。CゲートはGyrAサブユニットによって形成される。[ 9 ]

ジャイレース活性の機械化学モデル

DNAジャイレース触媒サイクル

単一分子研究[ 10 ]では、ジャイレース活性をDNA張力（加えられた力）とATPの関数として特徴付け、メカノケミカルモデルが提唱されている。DNAに結合すると（「ジャイレース-DNA」状態）、DNAのラッピングと解離が競合し、DNA張力の上昇が解離の確率を高める。提案された触媒サイクルによれば、2つのATP分子の結合により、GyrBサブユニットのATPaseドメインが二量体化し、DNAのTセグメント（T-は転移から）がGyrBサブユニット間の空洞に捕捉される。次のステップで、酵素はDNAのGセグメント（G-はゲートから）を切断し、二本鎖切断を引き起こす。次に、Tセグメントは切断部を通過して転移し、それに伴い最初のATP分子が加水分解される。DNAジャイレースはGセグメントの切断部を再びライゲーションし、Tセグメントは最終的に酵素複合体から離脱する。 2番目のATPの加水分解により、システムはサイクルの最初のステップに戻ります。[ 11 ] 触媒サイクルの結果、2つのATP分子が加水分解され、DNAテンプレートに2つの負の超らせん構造が導入されます。最初は弛緩していた環状DNAに導入される超らせん構造の数は、ジャイレースによって加水分解されるATP分子の数とほぼ等しいと計算されています。[ 12 ]したがって、ジャイレースによる反応サイクルごとに2つのATP分子が加水分解され、-2の結合差が導入されると考えられます。[ 13 ]

ジャイレース特異性

ジャイレースはDNA基質に対して顕著な特異性を示す。強力なジャイレース結合部位（SGS）が、いくつかのファージ（バクテリオファージMuグループ）およびプラスミド（pSC101、pBR322 ）に見出されている。最近、 Topo-Seq法を用いた大腸菌ゲノムのDNAジャイレース部位のハイスループットマッピング[ 2 ]により、SGSの存在を説明できる長い（≈130 bp）縮重結合モチーフが明らかになった。ジャイレースモチーフは、酵素複合体の周囲へのDNAの巻き付きとDNAの柔軟性を反映している。このモチーフには、GCに富む島とATに富むパッチがDNA二重らせんの周期（≈10.5 bp）に近い周期で交互に現れる2つの周期領域が含まれている。この2つの領域は、GyrAサブユニットのC末端ドメインによるDNA結合に対応し、真核生物のヌクレオソーム結合モチーフに似ている。[ 2 ]

抗生物質による阻害

ジャイレースは原核生物と一部の真核生物に存在しますが、酵素の構造や配列は完全には類似しておらず、分子によって親和性が異なります。そのため、ジャイレースは抗生物質の優れた標的となります。ジャイレースを阻害する抗生物質には、以下の2つの種類があります。

サブユニットAは、オキソリン酸やナリジクス酸などの抗生物質によって選択的に不活性化されます。サブユニットBは、クメルマイシンA1やノボビオシンなどの抗生物質によって選択的に不活性化されます。いずれかのサブユニットを阻害すると、スーパーツイスト活性は阻害されます。[ 16 ]

ファージT4

ファージT4遺伝子39、52および60は、大腸菌宿主への感染中にファージDNA複製に用いられるDNAジャイレースを形成するタンパク質をコードしている。 [ 17 ]ファージ遺伝子52 のタンパク質は細菌ジャイレースのgyrAサブユニットと相同性があり[ 18 ]、ファージ遺伝子39のタンパク質はgyrBサブユニットと相同性がある。[ 19 ] 宿主大腸菌DNAジャイレースはファージ遺伝子産物の損失を部分的に補うことができるため、遺伝子39、52または60のいずれかに欠陥のある変異体はファージDNA複製を完全には阻害しないが、複製の開始を遅らせる。[ 17 ] 遺伝子39、52、または60に欠陥のある変異体は、遺伝子組換えの増加、塩基置換および欠失変異の増加を示し、宿主の代償DNA合成が野生型ファージによるものよりも正確ではないことを示唆している。[ 20 ]遺伝子39に欠陥のある変異体は、DNA複製開始後のファージ感染段階で、ファージ染色体の複数のコピーが存在する場合、紫外線照射 による不活性化に対する感受性の増加も示す。[ 21 ]

参照

参考文献

  1. ^ a b Garrett RH, Grisham CM (2013).生化学（第5版、国際版）. 米国: Mary Finch. p. 949. ISBN 978-1-133-10879-5。
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  • PDBe-KB P0AES4 : 大腸菌DNAジャイレースサブユニットAのPDBに登録されているすべての構造情報の概要
  • PDBe-KB P0A2I3 : サルモネラ・エンテリカDNAジャイレースサブユニットBのPDBに登録されているすべての構造情報の概要
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