ДНК-гираза — фермент бактериальной клетки¶

ДНК-гираза — фермент класса топоизомераз II типа, встречающийся у бактерий и некоторых архей. Она вводит отрицательные сверхвитки в кольцевую молекулу ДНК, используя энергию гидролиза АТФ. Этот фермент необходим для репликации, транскрипции и рекомбинации, поскольку он снимает топологическое напряжение, возникающее при раскручивании двойной спирали. У эукариот ДНК-гираза отсутствует, что делает её мишенью для избирательно действующих антибактериальных препаратов.

¶История открытия

Фермент был открыт в 1976 году Мартином Геллертом и коллегами при изучении экстрактов Escherichia coli. Исследователи обнаружили активность, которая в присутствии АТФ превращала релаксированную кольцевую ДНК в форму с повышенной электрофоретической подвижностью — так называемую сверхспирализованную форму. В 1978 году Геллерт сформулировал модель «переворота знака» (sign inversion), объясняющую механизм введения отрицательных сверхвитков. За работы по топоизомеразам Геллерт был удостоен ряда научных наград; сама гираза стала одной из наиболее изученных мишеней антибиотиков.

¶Строение

Функциональная гираза — тетрамер, состоящий из двух пар субъединиц:

• GyrA (у E. coli — около 97 кДа) — отвечает за разрыв и воссоединение цепей ДНК;
• GyrB (около 90 кДа) — содержит АТФазный домен и обеспечивает энергетическое сопряжение.

У ряда бактерий (например, Mycobacterium tuberculosis) гираза кодируется генами gyrA и gyrB, мутации в которых связаны с устойчивостью к фторхинолонам. Активный центр GyrA содержит остаток тирозина, который образует ковалентную связь с 5'-концом разорванной цепи.

¶Механизм действия

Работа фермента включает несколько этапов:

1. Связывание с участком ДНК, образуя положительно сверхспирализованную петлю.
2. Двуцепочечный разрыв с образованием ковалентного фермент-ДНК-комплекса.
3. Прохождение неповреждённого сегмента ДНК через разрыв.
4. Воссоединение цепей и высвобождение фермента.

В отличие от топоизомеразы I, гираза меняет число сцепления на 2 за один цикл и требует АТФ. Итог — введение отрицательных сверхвитков, что облегчает расплетание двойной спирали при репликации.

¶Биологическая роль

Отрицательная сверхспирализация поддерживает компактность бактериального нуклеоида и создаёт запас свободной энергии для процессов, требующих раскручивания ДНК. Гираза участвует в:

• инициации и элонгации репликации;
• транскрипции, особенно при высоком уровне экспрессии генов;
• рекомбинации и репарации;
• сегрегации дочерних хромосом.

Ингибирование фермента приводит к остановке роста и гибели бактериальной клетки.

¶Ингибиторы и клиническое значение

ДНК-гираза — мишень двух крупных классов антибактериальных средств:

Поскольку гираза отсутствует у человека, её ингибиторы обладают избирательной токсичностью по отношению к бактериям. Однако широкое применение фторхинолонов привело к распространению резистентности, связанной с точечными мутациями в генах gyrA и gyrB, а также с активным выведением препарата из клетки.

¶Применение в биотехнологии

Фермент используется в лабораторной практике для получения сверхспирализованных ДНК-плазмид, в тестах на топоизомеразную активность и при скрининге новых антибактериальных соединений. Рекомбинантные препараты гиразы применяются в исследованиях механизмов действия хинолонов.