A DNS-giráz (vagy egyszerűen giráz ) az E. coli baktérium és más prokarióták enzimje , a topoizomerázok csoportjába tartozik . A II. osztályú topoizomerázok tipikus képviselőjeként a DNS-giráz a katalitikus ciklus során átmeneti kettős száltörést okoz a DNS-ben. A DNS-giráz egyedülálló tulajdonsága, hogy az ATP- hidrolízis energiáját felhasználva képes negatív szupertekercseket bevezetni a DNS- molekulákba .
2007-ben a girázt az Apicomplexa törzsbe tartozó Plasmodium falciparum parazita protozoonban írták le [1] . A girázt egyes növények kloroplasztiszaiban és mitokondriumaiban is találták [2] .
A bakteriális DNS giráz szükséges a legfontosabb sejtfolyamatok - replikáció , sejtosztódás , transzkripció - végrehajtásához [3] . Számos antibiotikum célpontja , mint például a nalidixsav , a novobiocin és a ciprofloxacin .
A DNS-girázt M. Gellert és munkatársai írták le 1976-ban [4] .
A DNS-giráz egy tetramer enzim, amely két A (GyrA) és két B alegységből (GyrB) áll. Szerkezetileg a komplexet három pár "kapu" alkotja, amelyek egymás utáni nyitása és zárása egy DNS-szakasz irányított átviteléhez és két negatív szupertekercs bejutásához vezet. Az N-kapukat a B-alegységek ATPáz doménjei alkotják. Két ATP-molekula kötődése serkenti a dimerizációt és ennek megfelelően az N-kapu bezárását, míg az ATP hidrolízise ADP - vé , éppen ellenkezőleg, a kapu nyitását. A DNS-kapu egy katalitikus központot tartalmaz, amely reverzibilisen bevezet egy kettős szálú DNS-szakadást, és az enzim összes alegysége alkotja. A C-kapu csak a giráz A alegységeiből áll [5] . A DNS giráz A és B alegységei homológok a topoizomeráz IV C és E fehérjéivel , valamint az eukarióta topoizomeráz II [en] C- és N - terminális doménjeivel 6 ] .
Jelenleg a DNS-giráz hatásmechanizmusa, az úgynevezett szál passzázs mechanizmus, általánosan elfogadottnak tekinthető. E modell szerint a DNS-giráz a DNS két funkcionális régiójával, a T- és G-szegmensekkel lép kölcsönhatásba. Az első lépésben az enzim összekapcsolja a G szegmenst, és maga köré csavarja a DNS-t, és a pozitív szupertekercselésnek megfelelő szupertekercset képez . A DNS-csomagolásban a kulcsszerepet az A-alegységek C-terminális doménjei játsszák ( CTD , az angol C-terminális doménekből). Két ATP molekula kapcsolódása az enzim B-alegységei által kialakított N-kapu bezárásához és a DNS T-szegmens megkötéséhez vezet. A komplex konformációs átrendeződése az első ATP molekula hidrolízisét és a G-szegmens hasadását okozza a nukleinsav foszfodiészter kötéseinek a DNS giráz katalitikus centrumának tirozinjai általi megtámadása miatt. A következő lépésben a T-szegmenst átvezetjük a G-szegmens kétszálú törésén, és a G-szakaszt visszazárjuk. A katalitikus ciklus utolsó szakaszában a T-szegmens elhagyja az enzimet a giráz A-alegységei által kialakított C-kapun keresztül, és a második ATP- molekula hidrolizál [7] . Két negatív szupertekercs bevezetése a szupertekercs előjelének megfordítása miatt következik be: egy pozitív szupertekercs, amely a katalitikus ciklus elején az enzim köré tekeredő DNS következtében alakul ki, amelyet a T-szegmens kettős-tekercsen keresztül történő átvitele irányít. szálszakadás a G-szegmensben, negatív szupertekercské alakul [8] . Matematikai értelemben ez a művelet egyenértékű az összekapcsolási együttható −2-vel történő megváltoztatásával. Egyes becslések szerint a giráz sebessége eléri a 100 szupertekercset másodpercenként [9] .
Kimutatták, hogy a DNS-giráz kifejezett specifitást mutat a DNS-szekvenciákra. Például ismertek a Mu bakteriofágból és néhány plazmidból (pSC101, pBR322) származó enzim erős kötőhelyei. Az E. coli genomban a DNS giráz kötőhelyek Topo-Seq módszerrel történő feltérképezése során egy hosszú (130 nt) kötőmotívumot találtunk, amely megmagyarázza az erős helyek létezését, és tükrözi az enzimkomplex körüli DNS tekercselést és a nukleinsav rugalmasságát. A motívum elemzése feltárta az A-alegységek C-terminális doménjéhez kötődő DNS régiókat, amelyeket az AT-ben és GC-ben gazdag régiók periodikus nukleotid-mintázata jellemez, a DNS kettős hélixéhez közeli periódussal (~10,5 nt) . 3] . Korábban hasonló szabályszerűséget találtak a kötődési motívumban az eukarióta nukleoszómáknál is, amelyek köré a DNS is körbeveszi (146 nt, 1,8 menetben szerveződik) [10] . Összességében több ezer enzimhelyet találtak az E. coli genomban [3] .
Amint fentebb látható, a giráz képes lazítani a pozitív szupertekercseket, és negatívakkal helyettesíti őket. Ez rendkívül fontossá teszi a girázt a sejtfolyamatokban, amelyek során a DNS kettős hélix feltekeredik, mint például a DNS replikációja és transzkripciója . Amikor a DNS vagy az RNS polimeráz a DNS mentén mozog , pozitív szupertekercsek halmozódnak fel az enzim előtt. Az így létrejövő feszültség megakadályozza az enzim további fejlődését. Ezt a problémát a giráz (valamint replikáció esetén a topoizomeráz IV) oldja meg, amely lazítja a pozitív szupertekercseket. Így a giráz fontos szerepet játszik mind a DNS-sel történő templátszintézis folyamatainak beindításában, mind meghosszabbításában [8] .
A giráz jelen van a prokariótákban és egyes eukariótákban, de ezeknek az enzimeknek különböző aminosavszekvenciájuk és térszerkezetük van a különböző fajokban. A DNS-giráz az emberben hiányzik, ezért célszerű antibiotikumok célpontjaként használni. Az antibiotikumok két csoportja a giráz gátlására irányul:
A negatív szupertekercsek kialakulását indukáló DNS-giráz mellett létezik fordított giráz is , amely pozitív szupertekercsek kialakulását idézi elő, szintén ATP hidrolízis energia felhasználásával . Eddig a fordított girázt kizárólag hipertermofil archaeákban és baktériumokban találták meg, míg a DNS-girázt túlnyomórészt mezofil baktériumokban találták meg . Számos egyedi esetet regisztráltak, amikor mindkét enzim jelen van egy szervezetben – ez a Thermotoga maritima hipertermofil baktérium és az Archaeoglobus fulgidus hipertermofil archaea [6] . A reverz giráz jelenléte a termofil archeákban a genetikai elemek ( plazmidok , vírus DNS) jelenlétével függ össze, egyedülálló pozitívan csavart formában, míg a mezofil archaeák és baktériumok plazmidjai negatívan csavarodnak. Úgy gondolják, hogy a pozitív szupertekercselés emellett stabilizálja a DNS kettős hélixet, és megakadályozza a nukleinsav termikus denaturálódását emelt hőmérsékleten [11] .
A reverz giráz a klasszikus I-es típusú topoizomeráz és egy helikáz tulajdonságokkal rendelkező fehérjekomplex egyedülálló kombinációja [6] .
| DNS replikáció | |||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Megindítás, inicializálás |
| ||||||
| Megnyúlás |
| ||||||
| Felmondás | |||||||