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6.10:

DNA topoisomerasi

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DNA Topoisomerases

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Lo svolgimento della doppia elica del DNA durante la replicazione risulta in un avvolgimento eccessivo nelle regioni davanti alla forcella di replicazione. Inoltre, la sovrapposizione può verificarsi quando il DNA si ripiega su se stesso a causa dell’incapacità dell’estremità di DNA di ruotare liberamente per alleviare lo stress torsionale. Questa torsione inibisce ulteriormente lo svolgimento del DNA, bloccando processi cellulari vitali come la replicazione del DNA.Per ovviare a questo problema di avvolgimento, le cellule hanno enzimi noti come topoisomerasi che hanno sia attività di nucleasi che di ligasi;questi enzimi possono cioè reversibilmente rompere per poi ricollegare i legami fosfodiesterei nel DNA e rimuovere le forze torsionali del processo di avvolgimento del DNA. Le topoisomerasi rientrano in due categorie:topoisomerasi di tipo I sono ATP-indipendenti e agiscono rimuovendo un legame tra i nucleotidi su un singolo filamento di DNA a doppio filamento. Il filamento di DNA ininterrotto, viene poi passato attraverso il gap del filamento rotto nella cavità superiore dell’enzima.Infine, l’enzima lega le estremità rotte dei filamenti di DNA e produce una molecola di DNA localmente priva di tensioni. Le topoisomerasi di tipo II, invece, sono ATP-dipendenti e agiscono sul DNA superavvolto quando il DNA è aggrovigliato intorno a se stesso. L’enzima crea una rottura a doppio filamento in un’ansa della doppia elica del DNA per poi aiutare il loop ininterrotto a passare attraverso questa interruzione grazie ad una reazione ATP-dipendente.In seguito, usando l’energia da un secondo ATP, la topoisomerasi di tipo II risalda le estremità rotte dei filamenti di DNA e infine si stacca dal DNA, lasciando un’elica distesa.

6.10:

DNA topoisomerasi

Topoisomerases are enzymes that relax overwound DNA molecules during various cell processes, including DNA replication and transcription. These enzymes regulate positive and negative DNA supercoiling without changing the nucleotide sequence. DNA overwinding in a clockwise direction results in positively supercoiled DNA, whereas underwinding in a counterclockwise direction produces negatively supercoiled DNA.

Types and Mechanism of action

Topoisomerases are divided into two main types.  Type I Topoisomerases act on one strand of double-stranded DNA, and they are further divided into three categories: IA, IB, and IC.  Type IA forms a covalent bond with 5' end of the cleaved DNA strand and removes negative supercoils. It creates a single-strand breakthrough which the opposite strand can pass, resulting in a locally untangled DNA molecule. Type IB forms a covalent bond with the 3' end of the broken DNA strand and can relax both positively and negatively supercoiled DNA. The enzyme rotates the cut single-strand around the opposite strand, untwisting the DNA in the process.  Type IC is mainly found in archaea and has a similar mechanism as type IB.  Most Type I topoisomerases do not require ATP to relax supercoiled DNA. With the exception of reverse gyrase, this unique type IA topoisomerase does require ATP and generates positive DNA supercoils rather than unwinding them.

Type II topoisomerases are ATP-dependent enzymes that cut both strands of a DNA double helix. They are divided into two subtypes, Type IIA and Type IIB. These subtypes are distinguished by their structure and locations of their protein domains. Both subtypes have similar mechanisms; they transfer a loop of intact supercoiled DNA through the broken double-strand, thereby untangling the coil by one loop. Bacterial gyrase, which belongs to the Type IIA topoisomerases, can introduce negative supercoiling in the DNA and thus is different from all other known topoisomerases.  

Leitura Sugerida

  1. Deweese, Joseph E., Michael A. Osheroff, and Neil Osheroff. "DNA topology and topoisomerases: teaching a “knotty” subject." Biochemistry and Molecular Biology Education 37, no. 1 (2009): 2-10.
  2. Baker, Nicole M., Rakhi Rajan, and Alfonso Mondragon. "Structural studies of type I topoisomerases." Nucleic Acids Research 37, no. 3 (2008): 693-701.
  3. Pommier, Yves, Elisabetta Leo, HongLiang Zhang, and Christophe Marchand. "DNA Topoisomerases and Their Poisoning by Anticancer and Antibacterial Drugs." Chemistry & Biology 17, no. 5 (2010): 421-433.
  4. Bush, Natassja G., Monica Agarwal, Sara R. Henderson, Nidda F. Waraich, and Anthony Maxwell. "DNA in a twist? How topoisomerases solve topological problems in DNA." The Biochemist 40 (2018): 26-31.
  5. Li, Zhiyu, Alfonso Mondragón, and Russell J. DiGate. "The mechanism of type IA topoisomerase-mediated DNA topological transformations." Molecular Cell 7, no. 2 (2001): 301-307.