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| 逆ジャイレース | |||||||||
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 異なるタイプ I およびタイプ II トポイソメラーゼ クラスの分子描写。逆ジャイレースは、図のタイプ IA トポイソメラーゼ セクションの下の「RG」タグで示されます。 | |||||||||
| 識別子 | |||||||||
| EC番号 | 5.6.2.2 | ||||||||
| CAS番号 | 143180-75-0 | ||||||||
| データベース | |||||||||
| インテンズ | IntEnzビュー | ||||||||
| ブレンダ | BRENDAエントリー | ||||||||
| エクスパス | NiceZyme ビュー | ||||||||
| ケッグ | KEGGエントリー | ||||||||
| メタサイク | 代謝経路 | ||||||||
| プリアモス | プロフィール | ||||||||
| PDB構造 | RCSB PDB PDBe PDBsum | ||||||||
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逆ジャイレースは、正のスーパーコイルをDNAに導入するI型トポイソメラーゼです[1]。これは、II型トポイソメラーゼDNAジャイレースによって導入される典型的な負のスーパーコイルとは対照的です。これらの正のスーパーコイルは、負のスーパーコイルまたは完全に緩和されたDNAに導入できます[2]。DNAジャイレースはテトラマーを形成し、DNAの二本鎖領域を切断できますが、逆ジャイレースは一本鎖DNAのみを切断できます[3] [4] 。より具体的には、逆ジャイレースはIA型トポイソメラーゼクラスのメンバーです。負または正のスーパーコイルDNAを緩和する能力[5]（ATPを必要としない[6] [7]）に加えて、IA型酵素はRNAトポイソメラーゼ活性も持つ傾向があります。これらのRNAトポイソメラーゼは、長いRNA鎖が「擬似結び目」と呼ばれるものに絡まるのを防ぐのに役立ちます。RNAと相互作用する能力があるため、これは現在までに発見された酵素の中で最も古いクラスの1つであると考えられています。[4]
逆ジャイレースは、その正の超らせん形成活性の点ではATP依存性トポイソメラーゼである[8]が、逆ジャイレースはADPとの相互作用を通じて正の超らせんを導入せずにDNA鎖を緩和することもできる。 [9]この酵素の構造には、核酸を分離する役割を果たすヘリカーゼドメインと、 DNAに実際にコイルを導入する役割を果たすトポイソメラーゼドメインの両方が含まれている。しかし、機構研究では、これら2つのドメインは個別には弱い活性を示す傾向があり、連携して機能する場合にのみ効率的なDNA正の超らせん形成活性を発揮できることがわかっている。 [10] [11]また、他の研究では、逆ジャイレース酵素は、二本鎖DNAよりも一本鎖DNAの領域を攻撃する傾向があることがわかっており、この酵素の重要な生物学的機能は、特に高温で成長する生物において、溶けたDNA鎖の絶え間ない再生を確実にすることであることを示唆している。[8]
この酵素は、いくつかの古細菌にわたって広範囲に特徴付けられており、サルフォロバス・アシドカルダリウスの逆ジャイレースは、最初に特徴付けられたものの1つです。[12]さらに、すべての好熱性細菌と古細菌には、少なくとも1つの逆ジャイレース酵素が含まれていることがわかっています。クレナーキオータ門のメンバーなどの一部の生物は、2つの逆ジャイレース酵素を持っています。1つは、温度が上昇すると活性になる傾向があるTopR1で、もう1つは低温と高温の両方で活性を示すTopR2です。[4]他の例外的な生物には、ナノアーキウム・エクイタンスがあり、その逆ジャイレース酵素は、トポイソメラーゼIAドメインとヘリカーゼドメインを持つ一般的なモノマーポリペプチドではなく、2つの別々のペプチドとして自然に存在する傾向があります。[4] [11]
分類
上記の情報ボックスに示されているように、逆ジャイレースは EC 番号 5.6.2.2 で指定されています。このコードの最初の番号 (5) は、酵素がイソメラーゼであることを示しています。[13]酵素自体はトポイソメラーゼとヘリカーゼのようなドメインの両方を持っていますが、ジャイレースとして、主にトポイソメラーゼの傘下に分類されます。さらに、5.6 という番号は、この分子が細胞分子の構造を変えることができるイソメラーゼであることを示しています。[14] 5.6.2 は、この酵素が核酸、つまり DNA の構造を変えることができることをさらに示しています。[15]最後に、5.6.2.2 という完全な指定は、この酵素が ATP 依存性 DNA トポイソメラーゼであることを示しています。[16]
構造
逆ジャイレースの結晶構造は完全に特徴付けられており、Thermotoga maritimaで発見された酵素に基づいて結晶構造が生成されました。[12]
アクティブサイト
逆ジャイレースにはヘリカーゼドメインとトポイソメラーゼドメインがある。酵素がヌクレオチドを結合する活性部位は、Asp78、Phe75、Gln83、Lys106、Asp203、およびThr107残基によって特徴付けられる。[12] H1およびH2サブドメインにもヌクレオチド結合能力が含まれており、DNA鎖はこれらのサブドメインによってつかまれ、その後酵素のトポイソメラーゼドメインを介して供給され、正のスーパーコイルが完成すると考えられている。[12]
ラッチドメイン
ラッチドメインは種によって異なるようで、ドメインサイズは10アミノ酸から120アミノ酸までの範囲です。[12]ラッチは、トポイソメラーゼドメインが負のスーパーコイルを生成してDNAを弛緩させるのを防ぎ、代わりにヘリカーゼドメインの鎖通過段階で酵素がATP依存的に正のスーパーコイルを生成できるようにする制御機構として機能すると考えられています。[5] [17]
亜鉛フィンガー
逆ジャイレース酵素には、2 つの亜鉛イオンが酵素機能を調整する役割を果たすジンクフィンガードメインが含まれています。最初の亜鉛イオンは、4 つのシステイン残基との相互作用によって所定の位置に保持されます。[12] 2 番目の亜鉛イオンは、逆ジャイレース酵素に常に存在するわけではありません。ただし、存在する場合は、両方のイオンが核酸の結合部位の近くにあります。これらのジンクフィンガーは、DNA の最初の結合と鎖の通過に役割を果たしていると考えられていますが、その正確な作用機序は生物によって異なるようです。[12]
好熱菌の重要性
標準的な温度と圧力の条件下で生息する生物、または中温生物（20℃から40℃の温度範囲で生息する）は、 DNA鎖に負の超らせん構造を持つ傾向があります。これは、遺伝物質を凝縮して宿主細胞内（または真核生物の場合は細胞の核領域内）に収まるようにするのに役立ちます。負の超らせん構造は、アンダーワインディングとも呼ばれ、DNA鎖が反時計回りにねじれる結果となります。負の超らせん構造により、DNA鎖はゲノム複製や転写などのさまざまな細胞プロセスに利用できるようになります。これは、DNAが変性して適切な酵素にアクセスできるようにするには、通常、アンダーワインディングする必要があるためです。[2]
一方、好熱菌（40℃から122℃までの温度範囲で生存できる生物[18]）は、高温による変性能力の下でDNAの構造的完全性を維持するために、DNA内に複数の正のスーパーコイルを維持していると考えられています。正のスーパーコイルは過巻きと呼ばれ、鎖が時計回りにねじれます。以前に発見されたように、DNA鎖に正のスーパーコイルを維持する最大の利点の1つは、高温で鎖が分離するのを防ぐことです。[2]
正の超らせん構造は確かに好熱菌でより一般的ですが、中温菌でも正の超らせん構造が見つかっています。例えば、テロメアとコンデンシンはどちらも染色体構造に寄与する手段として正の超らせん構造を利用できます。[19]さらに、逆ジャイレース酵素は好熱菌に限定されるものではありません。逆ジャイレース酵素の中には好熱温度範囲外でも機能するものもあり、中温菌でもこの酵素を利用する生物が存在する可能性があることを示唆しています。[4]
スーパーコイル機構
逆ジャイレース酵素のヘリカーゼとトポイソメラーゼドメインは、DNAの正のスーパーコイル形成を促進するために一緒に働くと考えられています。しかし、正確な作用機序は生物によって異なるようです。たとえば、Sulfolobus solfataricusとThermotoga maritimaはヘリカーゼ活性に関して反対の現象を経験します。Sulfolobus solfataricusヘリカーゼのATP加水分解能力はトポイソメラーゼによって活性化されるようですが、Thermotoga maritimaのヘリカーゼを介したATP加水分解能力はトポイソメラーゼドメインによって低下するようです。[12]
DNAに結合すると、逆ジャイレースは左巻きによる構造変化を引き起こし、多かれ少なかれ巻き戻しとして機能する。[20]具体的には、 S. solfataricusに見られる逆ジャイレース（クレンアーキオタ属TopR2逆ジャイレース）は、DNA構造に結合すると約20塩基対の巻き戻しを開始する。[4] DNAへの最初の結合時には、ヘリカーゼドメインは開いた構造をとり、トポイソメラーゼIAドメインは閉じた構造をとる。[5]逆ジャイレース構造にATPが結合すると、ヘリカーゼドメインが閉じ、トポイソメラーゼIAドメインが開く。これにより、巻き戻されたバブル内の20塩基対のうち10塩基対が巻き戻され、トポイソメラーゼIAドメインは鎖通過中に正のスーパーコイルを導入することができる。[5]鎖の通過が起こると、逆ジャイレースのトポイソメラーゼIAドメインは、DNA鎖が再生されるにつれて、DNA鎖の結合数（DNA鎖が他の鎖に巻き付く回数）を増やすことができる。[9] ATP加水分解誘導による巻き戻しの後、逆ジャイレース酵素ドメインは元の状態（開いたヘリカーゼドメインと閉じたトポイソメラーゼIAドメイン）に戻り、逆ジャイレースが解放され、DNAの新しい領域に結合してプロセスを繰り返す準備が整う。[4] [5] [9]
トポイソメラーゼとヘリカーゼドメイン間の相互作用の違いにかかわらず、一般的に、逆ジャイレース酵素はすべて、ヌクレオチドが活性部位に結合すると構造変化を起こします。[12]
参考文献
- ^ Kikuchi A, Asai K (1984年6月21日). 「逆ジャイレース - DNAに正の超らせん回転を導入するトポイソメラーゼ」. Nature . 309 (5970): 677–681. Bibcode :1984Natur.309..677K. doi :10.1038/309677a0. PMID 6328327. S2CID 4242694.
- ^ abc Fogg JM、Catanese DJ、Randall GL、Swick MC、Zechiedrich L (2009)。 Benham CJ、Harvey S、Olson WK、Sumners WL、Swigon D (編)。 「トポイソメラーゼが区別できる正と負のスーパーコイル DNA の違い」。IMA 数学とその応用の巻。150 : 73–121。doi :10.1007/978-1-4419-0670-0_5。ISBN 978-1-4419-0669-4。
- ^ Jaxel C、Nadal M、Mirambeau G、Forterre P、Takahashi M、Duguet M (1989 年 10 月)。「DNA への逆ジャイレース結合は二重らせん構造を変化させ、ATP がない場合に一本鎖切断を生じさせる」。EMBOジャーナル。8 ( 10 ) : 3135–3139。doi :10.1002/ j.1460-2075.1989.tb08466.x。PMC 401394。PMID 2555155 。
- ^ abcdefg Garnier F, Couturier M, Débat H, Nadal M (2021年5月25日). 「古細菌：トポイソメラーゼ多様性の金鉱」. Frontiers in Microbiology . 12 : 661411. doi : 10.3389 /fmicb.2021.661411 . PMC 8185306. PMID 34113328.
- ^ abcde Yang X、Garnier F、Débat H、Strick TR、Nadal M (2020年5月)。「逆ジャイレース内のヘリカーゼ-トポイソメラーゼカップリングの直接観察」。米国科学アカデミー 紀要。117 ( 20 ): 10856–10864。Bibcode :2020PNAS..11710856Y。doi : 10.1073/ pnas.1921848117。PMC 7245102。PMID 32371489。
- ^ "EC 5.6.2.1". IUBMB 酵素命名法。国際生化学および分子生物学連合。
- ^ Gellert M (1981). 「DNAトポイソメラーゼ」. Annual Review of Biochemistry . 50 : 879–910. doi :10.1146/annurev.bi.50.070181.004311. PMID 6267993.
- ^ ab Shibata T, Nakasu S, Yasui K, Kikuchi A (1987年8月). 「逆ジャイレースのDNA依存性ATPase活性」. The Journal of Biological Chemistry . 262 (22): 10419–10421. doi : 10.1016/S0021-9258(18)60974-3 . PMID 3038879.
- ^ abc Hsieh TS 、 Plank JL（2006年3月）。「リバースジャイレースはDNA再生酵素として機能する：相補的一本鎖環状構造のアニーリングとバブル基質の正のスーパーコイル形成」。The Journal of Biological Chemistry。281（9）：5640–5647。doi ：10.1074/ jbc.M513252200。PMID 16407212 。
- ^ Déclais AC、Marsault J、Confalonieri F、de La Tour CB、Duguet M (2000 年 6 月)。「逆ジャイレース、2 つのドメインが密接に協力して正のスーパーコイル形成を促進する」。The Journal of Biological Chemistry。275 ( 26): 19498–19504。doi : 10.1074/ jbc.M910091199。PMID 10748189。
- ^ ab Capp C, Qian Y, Sage H, Huber H, Hsieh TS (2010 年 12 月). 「自然に分裂した逆ジャイレースのサブユニットの個別および複合的な生化学的活性」. The Journal of Biological Chemistry . 285 (51): 39637–39645. doi : 10.1074/jbc.M110.173989 . PMC 3000944. PMID 20929866 .
- ^ abcdefghi Lulchev P、Klostermeier D (2014 年7 月)。「逆ジャイレース - 正の DNA スーパーコイル形成に関する最近の進歩と現在のメカニズムの理解」。核酸 研究。42 ( 13): 8200–8213。doi : 10.1093/nar/gku589。PMC 4117796。PMID 25013168。
- ^ 「EC 5. イソメラーゼ」。IUBMB酵素命名法。国際生化学および分子生物学連合。
- ^ "EC 5.6". IUBMB 酵素命名法。国際生化学および分子生物学連合。
- ^ 「EC 5.6.2 核酸の構造を変化させる酵素」。IUBMB酵素命名法。国際生化学および分子生物学連合。
- ^ "5.6.2.2". IUBMB酵素命名法。国際生化学および分子生物学連合。
- ^ Rodríguez AC, Stock D (2002年2月). 「逆ジャイレースの結晶構造: DNAの正のスーパーコイル構造への洞察」. EMBOジャーナル. 21 (3): 418–426. doi :10.1093/emboj/21.3.418. PMC 125824. PMID 11823434 .
- ^ Takai K, Nakamura K, Toki T, Tsunogai U, Miyagi M, Miyagi J, et al. (2008年8月). 「高圧培養下における超好熱性メタン生成菌による122℃での細胞増殖と同位体重CH4生成」Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America . 105 (31): 10949–10954. doi : 10.1073/pnas.0712334105 . PMC 2490668 . PMID 18664583.
- ^ Valenti A、Perugino G、Rossi M、Ciaramella M (2011年1月)。「好熱菌と 中温菌における正の超らせん構造：善と悪」。生化学協会誌。39 (1): 58–63。doi : 10.1042 /BST0390058。PMID 21265747 。
- ^ Confalonieri F, Elie C, Nadal M, de La Tour C, Forterre P, Duguet M (1993 年 5 月). 「逆ジャイレース: 同じポリペプチド内のヘリカーゼ様ドメインとタイプ I トポイソメラーゼ」.米国科学アカデミー紀要. 90 (10): 4753–4757. Bibcode :1993PNAS...90.4753C. doi : 10.1073 /pnas.90.10.4753 . PMC 46591. PMID 8389456.