DNAジャイレース

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あり、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が伸長中のRNAポリメラーゼ^{[ 2 ]}または進行中の複製フォークの前のヘリカーゼ^{[ 3 ] [ 4 ]}によってほどかれている間に、ATP依存的にトポロジー的歪みを軽減します。DNAに負の超らせんを積極的に与えることが知られている唯一の酵素であり、正の超らせん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を形成し、次に二重らせんの1つを切断し、もう1つをその中を通してから切断を解除することによって行われ、各酵素ステップで連結数が2つ変化します。このプロセスは細菌で起こり、細菌の単一の環状DNAは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超らせんを形成します。ジャイレースは真核生物のプラスチドにも存在し、マラリア原虫Plasmodium falciparumのアピコプラスト^{[ 5 ] [ 6 ]}やいくつかの植物の葉緑体^{[ 7 ]}で発見されている。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る。

ジャイレースがATP加水分解を犠牲にしてDNAに負の超らせんを導入する独自の能力^{[ 1 ]}は、細菌DNAが自由に負の超らせんを持つことを可能にしている。ジャイレースが正の超らせんを緩和する能力は、DNA複製と原核生物の転写中に重要となる。DNAのらせん構造により、DNA複製の場合、DNAポリメラーゼなどの転座酵素の前に正の超らせんが蓄積する。ジャイレース（およびトポイソメラーゼIV ）が正の超らせんを緩和する能力により、ポリメラーゼの前方の超らせん張力が解放され、複製が継続できる。

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す。^{[ 8 ]}構造的には、この複合体は3対の「ゲート」によって形成され、これらのゲートが順次開閉することで、DNA断片が直接転送され、2つの負の超らせんが導入されます。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ます。2つのATP分子が結合すると二量体化が起こり、ゲートが閉じます。逆に、加水分解によってゲートが開きます。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たDNAゲートにある触媒中心によって行われます。CゲートはGyrAサブユニットによって形成されます。^{[ 9 ]}

単一分子研究^{[ 10 ]}では、DNA張力（印加力）とATPの関数としてジャイレース活性を特徴づけ、メカノケミカルモデルを提案した。DNAに結合すると（「ジャイレース-DNA」状態）、DNAの巻き付きと解離の競合が生じ、DNA張力の増加は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分子のATP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（transferingのT- ）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（gateのG- ）を切断し、二本鎖切断を起こす。次に、Tセグメントが切断部を通って転送され、その際に最初の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連結し、Tセグメントは最終的に酵素複合体から離れる。 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、2つの負の超らせんがDNAテンプレートに導入されます。最初に弛緩した環状DNAに導入される超らせんのターン数は、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のサイクルごとに2つのATP分子が加水分解され、-2の連結差が導入されると示唆できます。^{[ 13 ]}

ジャイレースはDNA基質に対して顕著な特異性を持つ。一部のファージ（バクテリオファージMuグループ）およびプラスミド（pSC101、pBR322）には、強力なジャイレース結合部位（SGS）が見つかっている。最近、Topo-Seq法を用いた大腸菌ゲノムにおける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（約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リッチな島とATリッチなパッチがDNA二重らせんの周期（約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 ]}

ジャイレースは原核生物と一部の真核生物に存在するが、その構造や配列は完全には一致しておらず、異なる分子に対する親和性も異なる。そのため、ジャイレースは抗生物質の標的として適している。ジャイレースを阻害する抗生物質には、以下の2つのクラスがある。

• アミノクマリン類（ノボビオシンやクメルマイシンA1など）は、 GyrBサブユニットのATPase活性部位に結合することで、DNAジャイレースのエネルギー変換を競合的に阻害することによって作用する。 ^{[ 14 ] [ 15 ]}
• キノロン系薬剤（ナリジクス酸やシプロフロキサシンなど）は、トポイソメラーゼ阻害剤として知られています。これらの薬剤は酵素に結合することで、触媒サイクルの過渡的な段階で酵素を捕捉し、Gセグメントの再結合を阻害します。その結果、二本鎖切断が蓄積し、複製フォークが停止して細胞死に至ります。キノロン耐性菌は、キノロンの結合に抵抗する変異型トポイソメラーゼを保有していることが多いです。

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る。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る_。どちらかのサブユニットの阻害は、スーパーツイスト活性を阻害する。^{[ 16 ]}

ファージT4遺伝子39、52、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} タンパク質は細菌ジャイレースgyrAサブユニットと相同性があり^{[ 18 ]}、ファージ遺伝子39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償できるため、遺伝子39、52、60のいずれかに欠陥のある変異体はファージDNA複製を完全に阻害するのではなく、その開始を遅らせる。^{[ 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、宿主補償 DNA 合成が野生型ファージによって指示されるものよりも不正確であることを示唆している。^{[ 20 ]}遺伝子 39 に欠陥のある変異体は、ファージ染色体の複数のコピーが存在するDNA 複製開始後のファージ感染段階で紫外線照射 による不活性化に対する感受性の増加も示す。 ^{[ 21 ]}

• GyrA RNAモチーフ

• 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：サルモネラ菌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