拓扑异构酶的功能.ppt

拓扑异构酶的功能生物技术 蒋晓雪双链DNA可能会缠绕的太松（负超螺旋） 或者太紧（正超螺旋），这与它的最低能 量状态有关沿着DNA前进的蛋白复合物 ，比如转录复合物或者复制复合物，可以 改变被广泛存在的拓扑异构酶（ Topoisomerase）调控的DNA超螺旋状态拓扑异构酶的分类n原核生物基因组一般编码4种拓扑异构酶， 其中的DNA促旋酶（DNA gyrase）是一些 抗微生物试剂的靶子，比如喹诺酮（ Quinolone）抗生素真核生物的基因组一 般编码4~5种拓扑异构酶，人类基因组编码 的拓扑异构酶目前已知的有5种：拓扑异构 酶I、IIa、IIb、IIIa、IIIb拓扑异构酶的功能n尽管每种拓扑异构酶在哺乳动物DNA代谢 中的分工还不清楚，但是丢失拓扑酶I、IIb （很有可能也包括IIa）、IIIa中的任何一个 都是致命的，表明每种酶都具有不可替代 的作用n对酵母和哺乳动物细胞的研究都表明拓扑 异构酶I出现在转录复合物和复制复合物中 ，说明该酶通常提供RNA和DNA聚合酶沿 DNA前进时所需要的DNA旋转n相反，拓扑异构酶II似乎主要在复制后姐妹 染色单体分离或者染色质重新形成的过程 中发挥作用。

IIa和IIb各自特殊的功能还不 清楚，不过它们在细胞核中的位置不同， 在细胞周期调控中的作用也不同拓扑异 构酶III在哺乳动物中的功能仅局限于推测 ，然而酵母中拓扑异构酶III与Sgs1蛋白有关 ，Sgs1蛋白与在Bloom's和Werner's综合征中 分别参与基因组稳定和成熟的解旋酶蛋白 同源 n不同种类的解旋酶在生化性质上也是不同 的例如，拓扑异构酶I和III被归类于I型酶 ，因为它们通过切割DNA双链中的一条链 来改变DNA的超螺旋，而拓扑异构酶II被归 类于II型酶，因为它对DNA的两条链都切割 详细的结构和生化数据为理解这些酶如 何完成切割和重新连接DNA的任务提供了 依据nI型和II型酶都利用酪氨酸上的羟基与DNA磷酸骨 架发生转酯化反应结果是形成一个瞬时的反应 中间产物，涉及到蛋白质与DNA骨架的共价连接 基于对拓扑异构酶I与DNA组成的复合物进行结 构分析获得的数据，该酶对DNA切割的模型可能 如下图所示拓扑酶与DNA的连接可能发生在 DNA断裂处的3'末端（拓扑异构酶I），也可能发 生在断裂处的5'末端（拓扑异构酶II）在拓扑异 构酶I与DNA组成的共价复合物中，DNA缺口的5' 末端的与酶的结合不紧密，这使得被切开的DNA 链可以绕未被切开的链旋转，从而改变DNA超螺 旋的状况。

图：拓扑异构酶I切割DNA模型酪氨酸723参与了共价键的形成，而其它 活性位点的氨基酸可能参与了切割过程n与I型酶相对比，II型酶以同源或者异源二聚体的 形式发挥作用，并且其催化功能需要ATP现在 推测的II型酶作用模型如下：先是酶的二聚体与 DNA双链结合，然后在ATP的存在下与另一个 DNA双链结合对第一个DNA双链的切割发生在 与第二个DNA双链结合同时或者之后随后第二 个DNA双链穿过第一个DNA双链的切口，被切开 的第一个DNA双链重新连接，从而改变了DNA的 拓扑性这个机制被称为夹钳机制（如下图）， 这个机制使得由拓扑酶造成DNA双链瞬时断裂后 发生错误重新连接的风险降为最低拓扑异构酶的作用机制图：拓扑异构酶2催化模型其中G-segment代表被切割的双链DNA（gate）， T-segment代表另外一条不被切割的双链DNAn第1、2步：酶与G-segment结合，并且构像 发生改变，使得活性酪氨酸基团（紫色圆 状）位于G-segment切割位点附近；n第3步：酶与T-segment和ATP结合，形成一 个“夹钳”抓住了T-segment；n第4步：T-segment穿过G-segment被切开后 形成的缺口；n第5步：G-segment被重新连接，T-segment 被释放。

nATP水解后，夹钳打开，酶进入一个新的循 环。