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Lexikon der Biologie: DNA-Topoisomerasen

DNA-Topoisomerasen, Gruppe von Enzymen, welche die Überstrukturen von doppelsträngiger DNA (z. B. supercoil, nicked circle) durch Änderung der Anzahl der Windungen der Doppelhelix entdrillen, zusätzlich spiralisieren, verflechten oder verknoten können und so DNA-Moleküle in verschiedene topologische Formen überführen, ohne dabei die Nucleotidsequenz und damit den Informationsgehalt der betreffenden DNA zu verändern. DNA-Topoisomerasen sind wahrscheinlich in allen Organismen verbreitet, die von Bakterien sind jedoch am besten untersucht. Sie werden in zwei Gruppen unterteilt: Typ-I-DNA-Topoisomerasen, auch nicking-closing-Enzyme bzw. ο-Proteine genannt, sind monomere Proteine, die durch Einführen eines Einzelstrangbruchs, und ohne Cofaktoren wie NAD oder ATP zu benötigen, DNA-Moleküle entspannen, verknoten oder zu Catenaten verbinden können. Typ-II-DNA-Topoisomerasen dagegen durchtrennen bei den Umwandlungsreaktionen beide DNA-Stränge. Ein Vertreter dieser Enzymgruppe ist die DNA-Gyrase ( vgl. Abb. ), ein tetrameres Protein (α2β2), das 1976 erstmals aus Escherichia coli isoliert wurde. Es katalysiert unter ATP-Verbrauch die negative Überspiralisierung (Gyration), wobei Superhelices (supercoil) gebildet werden. Damit vermag die DNA-Gyrase bei der Replikation einer Überdrillung der DNA-Doppelhelix vor der Replikationsgabel, was zum Replikationsstop führen würde, entgegenzuwirken. Die Umkehrreaktion (Entspannen der überspiraligen DNA) in Abwesenheit von ATP verläuft dagegen nur sehr langsam. Unter der katalytischen Wirkung der Gyrase kann auch die Verknüpfung von Superhelices zu Catenaten bzw. die Trennung solcher Catenate zu Superhelices erfolgen ( vgl. Abb. ). Andere Typ-II-DNA-Topoisomerasen sind die T4-Topoisomerase und die ATP-abhängigen relaxing-Enzyme aus Eukaryoten, z. B. aus Drosophila melanogaster, Xenopus laevis (Glatter Krallenfrosch) und HeLa-ZellenSowohl Typ-I- als auch Typ-II-DNA-Topoisomerasen arbeiten nach dem gleichen grundlegenden Prinzip, dem "sign-inversion"-Mechanismus, der am Beispiel. der Gyrase dargestellt ist ( vgl. Abb. ). Zwar konnten die Wirkungen von DNA-Topoisomerasen am besten an ringförmiger doppelsträngiger DNA untersucht werden, doch im Rahmen physiologischer Funktionen wie Replikation, Transkription und Rekombination schließen die beobachteten Reaktionsweisen lineare DNA-Moleküle ein. Catena-Dimere, Chromosomenkarte ( Chromosomenkarte I
Chromosomenkarte II
Chromosomenkarte III
Chromosomenkarte IV
).

E.R./M.B.




DNA-Topoisomerasen

EM-Aufnahme einer an negativ superspiralisierte DNA-Moleküle gebundenen DNA-Gyrase




DNA-Topoisomerasen

1 Wirkungen der Gyrase. 2 "sign-inversion"-Mechanismus der Gyrase am Beispiel eines doppelsträngigen DNA-Rings: Im ersten Schritt bindet die DNA-Gyrase in der Weise an die DNA, daß sich zwei Doppelstränge überkreuzen und dabei eine (+)- und eine (–)-Windung entstehen, die sich in der Summe jedoch aufheben.
Der Bruch in einem der beiden Doppelstränge (Schritt 2) erfolgt nicht streng sequenzspezifisch, jedoch werden in bestimmten Sequenzen, z. B.
5´TAT

GNT N NT
ATA CNA N

NA 5´
bevorzugt von der Gyrase Stufenschnitte gesetzt (markiert durch die Pfeile). Die 5´-Phosphorylgruppen werden vorübergehend an einen Tyrosin-Rest in jeder der α-Untereinheiten der Gyrase kovalent gebunden. Nach Durchführen des anderen Strangs durch die Öffnung und anschließendes Schließen der Schnittstelle (Schritt 3) kehrt sich das Vorzeichen der Windung von (+) nach (–) um (Name des Mechanismus!), und das DNA-Molekül besitzt nun 2 (–)-Windungen.
Typ-I-DNA-Topoisomerasen arbeiten analog, jedoch nur mit Einzelstrangbruch.
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