Топоизомеразы и их роль в клетке¶

Топоизомеразы — класс ферментов, изменяющих топологическое состояние молекулы ДНК: они разрезают одну или обе цепи, пропускают через разрыв другой участок двойной спирали и вновь соединяют разрыв. Без этих ферментов репликация, транскрипция, рекомбинация и упаковка ДНК были бы невозможны, поскольку локальное раскручивание спирали неизбежно создаёт механическое напряжение в соседних участках.

¶Топологические проблемы ДНК

Двойная спираль ДНК закручена вокруг собственной оси примерно на один оборот на каждые 10,5 пар оснований. При расхождении цепей в точке репликации или транскрипции перед движущейся вилкой накапливаются положительные сверхвитки, а позади неё — отрицательные. Аналогичное напряжение возникает при связывании ДНК с белками и при её укладке в хромосому. Если напряжение не снимать, движение ферментальных комплексов останавливается.

Различают несколько типов топологических изменений: изменение числа сверхвитков (числа сцепления), узлы и катенаны (сцепленные кольца), а также разрывы, требующие воссоединения цепей. Топоизомеразы решают эти задачи, временно разрывая фосфодиэфирный остов.

¶Классификация

Ферменты делят на два типа по числу разрываемых цепей.

Тип I подразделяют на подклассы IA и IB по строению активного центра и способу присоединения к ДНК. Тип II включает подклассы IIA и IIB; к IIA относится бактериальная ДНК-гираза, способная вносить отрицательные сверхвитки.

¶Механизм действия

Ферменты типа I образуют ковалентную связь остатка тирозина в активном центре с 5'- или 3'-концом разорванной цепи. Через образовавшийся разрыв проходит неповреждённая цепь, после чего разрыв зашивается. Энергия фосфодиэфирной связи сохраняется в промежуточном комплексе, поэтому АТФ не расходуется.

Ферменты типа II работают иначе: они связывают два сегмента ДНК, разрезают оба цепи одного из них, переносят второй сегмент через разрыв и воссоединяют концы. Этот цикл сопровождается гидролизом АТФ, что обеспечивает направленность реакции и позволяет активно вводить сверхвитки. ДНК-гираза, например, вносит по два отрицательных сверхвитка за один акт.

¶Биологическая роль

• Репликация. Снятие положительных сверхвитков перед вилкой обеспечивает её продвижение; у бактерий эту функцию выполняет гираза, у эукариот — топоизомераза II.
• Транскрипция. Топоизомераза I снимает напряжение, возникающее при движении РНК-полимеразы.
• Рекомбинация и репарация. Ферменты типа I участвуют в разрешении промежуточных структур гомологичной рекомбинации.
• Сегрегация хромосом. Топоизомераза II разделяет сцепленные кольцевые молекулы ДНК (катенаны) после репликации, что критично для расхождения дочерних хромосом.
• Упаковка. Ферменты регулируют уровень сверхспирализации, влияющий на компактизацию ДНК и доступность генов.

¶Практическое значение

Топоизомеразы — мишень ряда лекарственных препаратов. Бактериальная гираза ингибируется фторхинолонами (например, ципрофлоксацином), применяемыми как антибиотики. Эукариотические ферменты типа II — цель противоопухолевых средств: этопозид и доксорубицин стабилизируют комплекс фермента с разорванной ДНК, что приводит к накоплению двуцепочечных разрывов и гибели делящихся клеток. Ингибиторы топоизомеразы I (иринотекан, топотекан) используются в химиотерапии опухолей.

Мутации генов топоизомераз связаны с некоторыми наследственными синдромами, а их повышенная активность наблюдается в ряде опухолей, что делает ферменты объектом поиска новых таргетных препаратов.