I型トポイソメラーゼ

DNAトポイソメラーゼI、N末端（非触媒性）、ウイルス
ワクシニアウイルス DNA トポイソメラーゼ I のアミノ末端 9kda ドメインの残基 1-77、残基 1-77 の実験的電子密度
識別子
シンボル	VirDNA-トポ-I_N
パム	PF09266
インタープロ	著作権
SCOP2	1vcc / スコープ / SUPFAM
利用可能なタンパク質構造: パム   構造 / ECOD   電子データ RCSB PDB; PDBe; PDBj PDBサム 構造の概要

分子生物学では、タイプ I トポイソメラーゼは、二本鎖 DNA の 2 つの鎖のうちの 1 つを切断し、鎖を弛緩させて、鎖を再アニールする酵素です。これらはさらに、構造的にもメカニズム的にも異なる 2 つのトポイソメラーゼ、タイプ IA とタイプ IB に分類されます。

• タイプ IA トポイソメラーゼは、環状 DNA 鎖の結合数を厳密に 1 単位で変更します。
• IB 型トポイソメラーゼは、結合数を 1 (n) の倍数で変更します。

歴史的には、IA 型トポイソメラーゼは原核生物トポ I と呼ばれ、IB 型トポイソメラーゼは真核生物トポイソメラーゼと呼ばれていました。しかし、IA 型トポイソメラーゼと IB 型トポイソメラーゼは生命のあらゆる領域に存在するため、この区別はもはや当てはまりません。

機能的には、これらのサブクラスは非常に特殊な機能を実行します。原核生物の トポイソメラーゼ I (topo IA) は負のスーパーコイル DNA のみを緩和できますが、真核生物のトポイソメラーゼ I (topo IB) は正のスーパーコイルを導入し、DNA 複製後に娘染色体の DNA を分離し、DNA を緩和できます。

これらの酵素には、転写およびDNA複製中にDNAスーパーコイルを除去する、組み換え中に鎖を切断する、染色体を凝縮する、有糸分裂中に絡み合ったDNAを解くなど、いくつかの機能があります。^{[1] [2]}

このドメインは、β(2)-α-β-α-β(2)フォールドを呈し、β2鎖とβ3鎖の間に左巻きのクロスオーバーが見られます。4つの交差したβ鎖が4つのαヘリックスに囲まれており、ロスマンフォールドに配列されています^[3]

タイプ I トポイソメラーゼはATP非依存性酵素 (逆ジャイレースを除く) であり、構造と反応メカニズムによってタイプ IA (細菌および古細菌のトポイソメラーゼ I、トポイソメラーゼ III、逆ジャイレース) とタイプ IB (真核生物のトポイソメラーゼ I およびトポイソメラーゼ V) に分類できます。これらの酵素は主に、正および/または負のスーパーコイル DNA を緩和する役割を担っていますが、逆ジャイレースはDNA に正のスーパーコイルを導入することがあります。

DNA トポイソメラーゼは、一時的な一本鎖または二本鎖切断を触媒し、鎖を互いに交差させて切断部を再封鎖することにより、2本のDNA鎖間の トポロジカルリンクの数を調節します（つまり、超らせんの回転数を変更します）。^[4]

DNAトポイソメラーゼは2つのクラスに分けられます。I型酵素（EC; トポイソメラーゼI、III、V）は一本鎖DNAを切断し、II型酵素（EC; トポイソメラーゼII、IV、VI）は二本鎖DNAを切断します。^[5]

IA 型トポイソメラーゼは、歴史的には原核生物に見られると言われており、DNA に単一の切断を作成し、2 番目の鎖または二重鎖を切断部へ通過させます。この鎖通過メカニズムは、IIA 型トポイソメラーゼといくつかの特徴を共有しています。どちらも 5' ホスホチロシン中間体を形成し、その作用を実行するために二価金属イオンを必要とします。II型トポイソメラーゼとは異なり、IA 型トポイソメラーゼは作用を実行するためにエネルギーを使用しません (逆ジャイレースの顕著な例外を除く、以下を参照)。

タイプIAトポイソメラーゼには複数のドメインがあり、多くの場合ドメイン1～4と番号が付けられています。ドメインIにはトプリムドメイン（マグネシウムイオンを配位することが知られているロスマンフォールド）が含まれ、ドメインIVとドメインIIIはそれぞれヘリックスターンヘリックス（HTH）ドメインで構成されています。触媒チロシンはドメインIIIのHTHにあります。ドメインIIはドメインIIIとIVを結ぶ柔軟な橋です。タイプIAトポイソメラーゼの構造は鍵に似ており、ドメインI、III、IVは構造の底部にあります。^[6] 一本鎖DNAに結合したトポIII（下記参照）の構造^[7]（pdb id = 1I7D）は、HTHとトプリムドメインがDNA上でどのように配位されているかを示しています。

タイプ IA トポイソメラーゼには、メインコアに付属する付属物 (「トポフォールド」と呼ばれることもある) が異なるいくつかのバリエーションがあります。このサブクラスのメンバーには、トポ I、トポ III (追加の亜鉛結合モチーフを含む)、および逆ジャイレースが含まれます。逆ジャイレースは、Rho 転写因子のヘリカーゼ様ドメインに似た ATPase ドメインが付加されている点で特に興味深いものです (逆ジャイレースの構造は、ロドリゲスとストックによって EMBO J 2002 で解明されました)。この酵素は、ATP の加水分解を利用して正のスーパーコイルを導入し、DNA を巻き上げます。これは、逆ジャイレースが存在することが知られている超好熱菌にとって魅力的な特徴です。ロドリゲスとストックは、ATP の加水分解を正のスーパーコイルの導入に伝達する「ラッチ」を特定するためにさらに研究を行いました。

トポ III 変異体も同様に非常に興味深いもので、一本鎖 DNA に結合すると考えられる亜鉛結合モチーフを持っています。トポ III は、組み換え中に BLM (ブルーム症候群) ヘリカーゼと関連することが確認されています。

タイプ IA トポイソメラーゼは、単一ゲートを使用した鎖通過メカニズムによって機能します (タイプ II トポイソメラーゼとは対照的)。まず、一本鎖 DNA がドメイン III と I に結合します。触媒チロシンが DNA バックボーンを切断し、一時的な 5' ホスホチロシン中間体を作成します。次に、ドメイン II をヒンジとして使用して切断が分離され、2 番目の二重鎖または DNA 鎖が通過します。ドメイン III と I が閉じ、DNA が再アニールされます。

タイプ IA トポイソメラーゼとは対照的に、タイプ 1B トポイソメラーゼは、妨害された回転機構によって、DNA の巻きすぎや巻き不足 (正または負の超らせんとも呼ばれる) の問題を解決します。結晶構造、生化学、および単一分子実験によって、一般的な機構が明らかになりました。酵素はまずDNAを包み込み、単一の 3' ホスホチロシン中間体を作成します。次に、5' 末端が自由に回転し、もう一方の鎖の周りでねじれて DNA を緩め、トポイソメラーゼが切断された鎖を再結合するまで続けます。

DNA に結合したトポ IB の構造が解明されました (pdb id = 1A36)。トポ IB は、NTD、キャッピング ローブ、触媒ローブ、および C 末端ドメインで構成されています。キャッピング ローブと触媒ローブは DNA を包みます。

緩和は能動的なプロセスではなく、切断またはライゲーションの段階ではエネルギー ( ATPの形で) は消費されません。これは、酵素の活性部位のチロシン残基とホスホジエステルDNA バックボーンとの反応が、1 つのホスホモノエステル結合を別のホスホモノエステル結合に置き換えるだけだからです。トポイソメラーゼは、DNA の巻き戻しの際にも ATP を使用しません。むしろ、DNA に存在するトルクが巻き戻しを駆動し、平均してエネルギー的に下向きに進みます。最近の単一分子実験では、バルクプラスミド緩和実験で以前に提案されたことが確認されています。つまり、DNA の巻き戻しはトルク駆動であり、再ライゲーションが発生するまで続行されます。特定の数のスーパーコイルが除去された後に再ライゲーションをトリガーするメカニズムがある限り、Topo IB が回転を「制御」することを示唆するデータはありません。対照的に、単一分子実験では、再結合はランダムなプロセスであり、回転する 5'-OH 末端が酵素結合した 3'-末端の結合部位に近づくたびに発生する確率があることが示唆されています。

IB 型トポイソメラーゼは、もともと真核生物とウイルスで特定されました。ウイルスのトポ I は、DNA に配列特異的に結合するという点で独特です。

よく研究されているこの 1B 型トポイソメラーゼの詳細については、 記事TOP1 を参照してください。

トポイソメラーゼ I の 3 番目のタイプであるトポ V は、古細菌Methanopyrus kandleriで特定されました。トポ V は IC 型トポイソメラーゼの創始メンバーであり、これまでのところ唯一のメンバーですが、一部の研究者はウイルス起源である可能性があると示唆しています。^[8] トポ V の結晶構造は解明されました。^{[9] IC 型トポイソメラーゼは、IB 型トポイソメラーゼ[10]} (pdb ID = 2CSB および 2CSD)とよく似た制御された回転機構を介して機能しますが、折り畳みは独特です。

すべてのトポイソメラーゼは、酵素の触媒チロシンと DNA バックボーンの切断可能なホスホリルの間にホスホチロシン中間体を形成します。

• IA 型トポイソメラーゼは、触媒チロシンと 5'-ホスホリルの間に共有結合を形成します。
• IB 型酵素は共有結合した 3'-ホスホチロシン中間体を形成します。
• IC 型トポイソメラーゼは共有結合した 3'-ホスホチロシン中間体を形成します。

この中間体は等エネルギーであり、つまり、前方切断反応と後方再結合反応は両方ともエネルギー的に等しい。そのため、この反応を行うために外部のエネルギー源は必要ありません。

トポイソメラーゼは DNA に切断を引き起こすため、酵素を阻害する小分子阻害剤の標的となります。タイプ 1 トポイソメラーゼは、イリノテカン、トポテカン、ヘキシルレゾルシノール、カンプトテシンによって阻害されます。

ヒトトポイソメラーゼIB型酵素は、共有結合3'-ホスホチロシン中間体、トポイソメラーゼ1切断複合体（Top1cc）を形成する。活性イリノテカン代謝物SN-38は、 DNA配列にグアニン+1を持つTop1ccのサブセットを捕捉する（三元複合体を形成する）ことによって作用する。[ ^11] 1つのイリノテカン由来SN-38分子は、トポイソメラーゼ誘導切断部位の両側の塩基対に対して積み重なり、トポイソメラーゼ1酵素を毒化（不活性化）する。^[11]

バクテリオファージ（ファージ）T4が細菌宿主である大腸菌に感染すると、ファージゲノムは細菌トポイソメラーゼIを阻害する遺伝子産物（gp55.2）を指定します。 ^[12] gp55.2はDNAに結合し、トポイソメラーゼIによる負のスーパーコイルDNAの弛緩を特異的に阻害します。この阻害は、感染中に宿主トポイソメラーゼIの活性を微妙に調節して、最適なファージ収量を確保するための適応であると思われます。

合成致死は、2 つ以上の遺伝子の発現における欠陥の組み合わせが細胞死につながる場合に発生しますが、これらの遺伝子の 1 つだけが欠損している場合は細胞死は発生しません。欠陥は、突然変異、エピジェネティックな変化、または遺伝子発現の抑制によって発生する可能性があります。

トポイソメラーゼ1阻害は、特定のDNA修復遺伝子の発現欠損により合成致死的となる。ヒト患者において欠損しているDNA修復遺伝子にはWRN ^[13]およびMRE11 ^[14]が含まれる。癌に関連する前臨床研究 では、欠損しているDNA修復遺伝子にはATM ^[15]およびNDRG1 ^{[16] [17]}が含まれる。

I型トポイソメラーゼを標的とする自己抗体は抗SCL-70抗体と呼ばれ、 SCL性皮膚炎との関連と、抗体の標的トポイソメラーゼ抗原（SCL-70抗原と呼ばれる）から得られる70kDの抽出可能な免疫反応性断片にちなんで名付けられました。^[18]

ウィキメディア・コモンズには、 I 型トポイソメラーゼに関連するメディアがあります。

• 米国国立医学図書館の医学件名標目(MeSH)にある DNA+トポイソメラーゼ、+タイプ+I