DNAトポイソメラーゼとは？わかりやすく解説

斜体文DNAトポイソメラーゼ（DNA topoisomerases）とは、2本鎖DNAの一方または両方を切断し再結合する酵素の総称である。

環状の2重鎖DNAでは、2本の鎖は位相幾何学（トポロジー）的には結び目があるのと等価であり、ねじれ数の異なるDNA、つまりトポアイソマー（トポロジーの異なる異性体）は、DNA鎖を切らない限り互いに変換できない。トポイソメラーゼはこの変換（topoisomerization）を触媒する異性化酵素という意味で命名された。抗がん剤や抗生物質のターゲットとしても知られる。

DNAのトポロジーとトポイソメラーゼ

2本鎖DNAは二重らせん構造を形成している。この二重らせんがさらに巻かれたり、逆にほどかれたりすると、DNA分子全体にひずみが生じることになる。これらを DNA超らせん構造（前者を正の超らせん、後者を負の超らせん）という（DNA超らせんの項参照）。

真核生物のゲノムDNAは線状なので、位相幾何学的見地からトポロジーを議論することはできない。しかし現実にはDNAは非常に長い分子であり、両端の動きが固定されると局所的に超らせん構造をとることが知られている。また、転写、複製、修復などの際には、二重らせん構造にひずみが導入されるため、トポイソメラーゼがそのひずみを解くことが必須となる。DNAの組換えや、ウイルスのDNAが染色体に組み込まれる際などにも、トポイソメラーゼ活性が必要である。

トポイソメラーゼの分類

トポイソメラーゼ活性のいろいろ。この絵では、２重鎖DNAを一本の線で表している。(-) SC は負の超らせん、(+) SC は正の超らせんを示す。euk topo I は真核生物の topo I を、E. coli topo I は大腸菌の topo I を表す。

II 型トポイソメラーゼによるカテナンの解消。この絵では、２重鎖DNAを一本の線で表している。euk topo II は真核生物の topo II を、E. coli topo IV は大腸菌の topo IV を表す。

酵母 topoisomerase II とDNA複合体の構造 (PDB ID =2RGR)

トポイソメラーゼは大きく２つの型（I 型と II 型）に分類される。I 型と II 型は、さらに反応機序の異なる２つのサブクラスに分類される（IA, IB と IIA, IIB）^[1]^[2]。一部の細菌と古細菌は、水平遺伝子移行（lateral gene transfer）によっていくつかのトポイソメラーゼ遺伝子（括弧で示されたもの）を互いに交換しているらしい^[3]。

タイプ	サブタイプ	細菌	古細菌	真核生物
I 型	IA 型	topo I	-	-
		topo III	topo III	topo III
		(reverse gyrase)	reverse gyrase	-
	IB 型	-	topo I	topo I
II 型	IIA 型	gyrase	(gyrase)	-
	IIA 型	topo IV	-	topo II
	IIB 型	(topo VI)	topo VI	-

I 型トポイソメラーゼ

I 型トポイソメラーゼ（type I topoisomerase）の反応では、DNAの2本鎖のうち一方が切断されその切れ目の間をもう一方の鎖が通過する。切れ目が再結合すると、リンキング数は一つ変化する。反応はATPを要求しない。I 型トポイソメラーゼは、主に複製や転写の際に生じるDNA超らせんを緩和する働きをもつ。

トポイソメラーゼの呼称はややこしいので注意が必要である。例えば、真核細胞の topoisomerase I（topo I）は IB 型に属するのに対し、大腸菌の topoisomerase I（topo I）は IA に属する。前者は正の超らせんと負の超らせんをともに弛緩させることができるが、後者は負の超らせんのみ弛緩させることができる。真核細胞の topo I は抗がん剤のイリノテカン（irinotecan）やトポテカン（topotecan）により阻害される。ともにカンプトテシン（camptothecin）の類似物質である。

一部の耐熱性細菌と耐熱性古細菌は、reverse gyrase と呼ばれる特殊な IA 型トポイソメラーゼをもつ。reverse gyraseはヘリカーゼ（DNA helicase）様のドメインを有し、ATP 依存的に正の超らせんを導入する能力をもつ^[4]。真核細胞では、 topoisomerase IIIa (Topo IIIA)と PICH と呼ばれるDNAヘリカーゼとの組み合わせによって、ATP依存的な reverse gyrase 様活性を試験管内に再構成することができる^[5]。

II 型トポイソメラーゼ

II 型トポイソメラーゼ（type II topoisomerase）の反応では、2本鎖が同時に切断されその切れ目の間を別の2本鎖が通過する。切れ目が再結合すると、リンキング数は二つ変化する。反応は ATPを要求する。

IIA 型トポイソメラーゼは、進化的に広く保存されており、超らせんの緩和に加えて、複製後に生じる娘2重鎖DNA間の絡まり（カテナン [catenane]）の解消も担う。後者の活性は、真核細胞では topoisomerase II (topo II) が、細菌では topoisomerase IV (topo IV) がこれを担う。真核生物の topo II は、抗がん剤のエトポシド（etoposide）やテニポシド（teniposide）のターゲットとなる。

大腸菌を含む多くの細菌は DNA gyraseと呼ばれる、もう一種の IIA 型トポイソメラーゼを有する。DNA gyraseは負のDNA超らせんを導入する活性をもち、キノロン（quinolone）系抗生物質のターゲットとなる。

IIB 型トポイソメラーゼは、古細菌や植物等に見出される。真核生物のSpo11（減数分裂期の組換えに先立ってDNA２重鎖切断を担う酵素）は IIB 型と構造的に類似するが、DNAの再結合活性はもたないため通常トポイソメラーゼには分類されない。

トポイソメラーゼ研究の歴史

1971　　　大腸菌 ω タンパク質（IA型トポイソメラーゼ）の発見^[6]
1972　　　真核生物 niking-closing 酵素（IB型トポイソメラーゼ）の発見^[7]
1976　　　大腸菌 DNAジャイレース (DNA gyrase) の発見^[8]
1979　　　DNA トポイソメラーゼという総称の提唱
1980　　　真核生物トポイソメラーゼ II の発見^[9]^[10]
1984　　　酵母トポイソメラーゼ変異株の単離^[11]^[12]
1984　　　古細菌リバースジャイレース (reverse gyrase) の発見^[13]
1985　　　真核生物トポイソメラーゼ II が染色体スキャフォールドの構成因子であることの発見^[14]
1987　　　転写に伴う DNA スーパーコイリングの検出 (twin supercoiled domain モデルの提唱）^[15]
1989　　　真核生物トポイソメラーゼ III の発見^[16]
1990　　　大腸菌トポイソメラーゼ IV (topoisomerase IV) の発見^[17]
1994　　　真核生物トポイソメラーゼ II の two gate モデルの実証^[18]
1996　　　真核生物トポイソメラーゼ II の結晶構造解析^[19]

引用文献

[脚注の使い方]

^ Wang JC (2002). “Cellular roles of DNA topoisomerases: a molecular perspective”. Nat. Rev. Mol. Cell Biol. 3: 430-440. PMID 12042765.
^ Vos SM, Tretter EM, Schmidt BH, Berger JM (2011). “All tangled up: how cells direct, manage and exploit topoisomerase function”. Nat Rev. Mol. Cell. Biol. 12: 827-841. PMID 22108601.
^ Forterre P & Gadelle D (2009). “Phylogenomics of DNA topoisomerases: their origin and putative roles in the emergence of modern organisms”. Nucleic Acids Res. 37: 679-692. PMID 19208647.
^ Lulchev P, Klostermeier D (2014). “Reverse gyrase--recent advances and current mechanistic understanding of positive DNA supercoiling”. Nucleic Acids Res. 42 (13): 8200-8213. PMID 25013168.
^ Bizard AH, Allemand JF, Hassenkam T, Paramasivam M, Sarlós K, Singh MI, Hickson ID (2019). “PICH and TOP3A cooperate to induce positive DNA supercoiling”. Nat. Struct. Mol. Biol. 26 (4): 267-274. PMID 30936532.
^ Wang JC (1971). “Interaction between DNA and an Escherichia coli protein omega”. J Mol Biol 55 (3): 523–533. doi:10.1016/0022-2836(71)90334-2. PMID 4927945.
^ Champoux JJ, Dulbecco R (1972). “An activity from mammalian cells that untwists superhelical DNA--a possible swivel for DNA replication (polyoma-ethidium bromide-mouse-embryo cells-dye binding assay)”. Proc Natl Acad Sci U S A 69 (1): 143–146. doi:10.1073/pnas.69.1.143. PMID 4333036.
^ Gellert M, Mizuuchi K, O'Dea MH, Nash HA (1976). “DNA gyrase: an enzyme that introduces superhelical turns into DNA”. Proc Natl Acad Sci U S A 73 (11): 3872–3876. doi:10.1073/pnas.73.11.3872. PMID 186775.
^ Liu LF, Liu CC, Alberts BM (1980). “Type II DNA topoisomerases: enzymes that can unknot a topologically knotted DNA molecule via a reversible double-strand break”. Cell 19 (3): 697–707. doi:10.1016/s0092-8674(80)80046-8. PMID 6244895.
^ Hsieh T, Brutlag D (1980). “ATP-dependent DNA topoisomerase from Drosophila melanogaster reversibly catenates duplex DNA rings”. Cell 21 (1): 115–125. doi:10.1016/0092-8674(80)90119-1. PMID 6250707.
^ DiNardo S, Voelkel K, Sternglanz R (1984). “DNA topoisomerase II mutant of Saccharomyces cerevisiae: topoisomerase II is required for segregation of daughter molecules at the termination of DNA replication”. Proc Natl Acad Sci U S A 81 (9): 2616–2620. doi:10.1073/pnas.81.9.2616. PMID 6326134.
^ Uemura T, Yanagida M (1984). “Isolation of type I and II DNA topoisomerase mutants from fission yeast: single and double mutants show different phenotypes in cell growth and chromatin organization”. EMBO J 3 (8): 1737–1744. doi:10.1002/j.1460-2075.1984.tb02040.x. PMID 6090122.
^ Kikuchi A, Asai K (1984). “Reverse gyrase--a topoisomerase which introduces positive superhelical turns into DNA”. Nature 309 (5970): 677–681. doi:10.1038/309677a0. PMID 6328327.
^ Earnshaw WC, Halligan B, Cooke CA, Heck MM, Liu LF (1985). “Topoisomerase II is a structural component of mitotic chromosome scaffolds”. J Cell Biol 100 (5): 1706–1715. doi:10.1083/jcb.100.5.1706. PMID 2985625.
^ Liu LF, Wang JC (1987). “Supercoiling of the DNA template during transcription”. Proc Natl Acad Sci U S A 84 (20): 7024–7027. doi:10.1073/pnas.84.20.7024. PMID 2823250.
^ Wallis JW, Chrebet G, Brodsky G, Rolfe M, Rothstein R (1989). “A hyperrecombination mutation in S. cerevisiae identifies a novel eukaryotic topoisomerase”. Cell 58 (2): 409–419. doi:10.1016/0092-8674(89)90850-7. PMID 2546677.
^ Kato J, Nishimura Y, Imamura R, Niki H, Hiraga S, Suzuki H (1990). “New topoisomerase essential for chromosome segregation in E. coli”. Cell 63 (2): 393–404. doi:10.1016/0092-8674(90)90172-b. PMID 2170028.
^ Roca J, Wang JC (1994). “DNA transport by a type II DNA topoisomerase: evidence in favor of a two-gate mechanism”. Cell 77 (4): 609–616. doi:10.1016/0092-8674(94)90222-4. PMID 8187179.
^ Berger JM, Gamblin SJ, Harrison SC, Wang JC (1996). “Structure and mechanism of DNA topoisomerase II”. Nature 379 (6562): 225–232. doi:10.1038/379225a0. PMID 8538787.

参考文献

J. C. Wang (2008). Untangling the double helix. Cold Spring Harbor Laboratory Press

[pmid12042765-1] Wang JC (2002). “Cellular roles of DNA topoisomerases: a molecular perspective”. Nat. Rev. Mol. Cell Biol. 3: 430-440. PMID 12042765.

[pmid22108601-2] Vos SM, Tretter EM, Schmidt BH, Berger JM (2011). “All tangled up: how cells direct, manage and exploit topoisomerase function”. Nat Rev. Mol. Cell. Biol. 12: 827-841. PMID 22108601.

[pmid19208647-3] Forterre P & Gadelle D (2009). “Phylogenomics of DNA topoisomerases: their origin and putative roles in the emergence of modern organisms”. Nucleic Acids Res. 37: 679-692. PMID 19208647.

[pmid25013168-4] Lulchev P, Klostermeier D (2014). “Reverse gyrase--recent advances and current mechanistic understanding of positive DNA supercoiling”. Nucleic Acids Res. 42 (13): 8200-8213. PMID 25013168.

[pmid30936532-5] Bizard AH, Allemand JF, Hassenkam T, Paramasivam M, Sarlós K, Singh MI, Hickson ID (2019). “PICH and TOP3A cooperate to induce positive DNA supercoiling”. Nat. Struct. Mol. Biol. 26 (4): 267-274. PMID 30936532.

[pmid4927945-6] Wang JC (1971). “Interaction between DNA and an Escherichia coli protein omega”. J Mol Biol 55 (3): 523–533. doi:10.1016/0022-2836(71)90334-2. PMID 4927945.

[pmid4333036-7] Champoux JJ, Dulbecco R (1972). “An activity from mammalian cells that untwists superhelical DNA--a possible swivel for DNA replication (polyoma-ethidium bromide-mouse-embryo cells-dye binding assay)”. Proc Natl Acad Sci U S A 69 (1): 143–146. doi:10.1073/pnas.69.1.143. PMID 4333036.

[pmid186775-8] Gellert M, Mizuuchi K, O'Dea MH, Nash HA (1976). “DNA gyrase: an enzyme that introduces superhelical turns into DNA”. Proc Natl Acad Sci U S A 73 (11): 3872–3876. doi:10.1073/pnas.73.11.3872. PMID 186775.

[pmid6244895-9] Liu LF, Liu CC, Alberts BM (1980). “Type II DNA topoisomerases: enzymes that can unknot a topologically knotted DNA molecule via a reversible double-strand break”. Cell 19 (3): 697–707. doi:10.1016/s0092-8674(80)80046-8. PMID 6244895.

[pmid6250707-10] Hsieh T, Brutlag D (1980). “ATP-dependent DNA topoisomerase from Drosophila melanogaster reversibly catenates duplex DNA rings”. Cell 21 (1): 115–125. doi:10.1016/0092-8674(80)90119-1. PMID 6250707.

[pmid6326134-11] DiNardo S, Voelkel K, Sternglanz R (1984). “DNA topoisomerase II mutant of Saccharomyces cerevisiae: topoisomerase II is required for segregation of daughter molecules at the termination of DNA replication”. Proc Natl Acad Sci U S A 81 (9): 2616–2620. doi:10.1073/pnas.81.9.2616. PMID 6326134.

[pmid6090122-12] Uemura T, Yanagida M (1984). “Isolation of type I and II DNA topoisomerase mutants from fission yeast: single and double mutants show different phenotypes in cell growth and chromatin organization”. EMBO J 3 (8): 1737–1744. doi:10.1002/j.1460-2075.1984.tb02040.x. PMID 6090122.

[pmid6328327-13] Kikuchi A, Asai K (1984). “Reverse gyrase--a topoisomerase which introduces positive superhelical turns into DNA”. Nature 309 (5970): 677–681. doi:10.1038/309677a0. PMID 6328327.

[pmid2985625-14] Earnshaw WC, Halligan B, Cooke CA, Heck MM, Liu LF (1985). “Topoisomerase II is a structural component of mitotic chromosome scaffolds”. J Cell Biol 100 (5): 1706–1715. doi:10.1083/jcb.100.5.1706. PMID 2985625.

[pmid2823250-15] Liu LF, Wang JC (1987). “Supercoiling of the DNA template during transcription”. Proc Natl Acad Sci U S A 84 (20): 7024–7027. doi:10.1073/pnas.84.20.7024. PMID 2823250.

[pmid2546677-16] Wallis JW, Chrebet G, Brodsky G, Rolfe M, Rothstein R (1989). “A hyperrecombination mutation in S. cerevisiae identifies a novel eukaryotic topoisomerase”. Cell 58 (2): 409–419. doi:10.1016/0092-8674(89)90850-7. PMID 2546677.

[pmid2170028-17] Kato J, Nishimura Y, Imamura R, Niki H, Hiraga S, Suzuki H (1990). “New topoisomerase essential for chromosome segregation in E. coli”. Cell 63 (2): 393–404. doi:10.1016/0092-8674(90)90172-b. PMID 2170028.

[pmid8187179-18] Roca J, Wang JC (1994). “DNA transport by a type II DNA topoisomerase: evidence in favor of a two-gate mechanism”. Cell 77 (4): 609–616. doi:10.1016/0092-8674(94)90222-4. PMID 8187179.

[pmid8538787-19] Berger JM, Gamblin SJ, Harrison SC, Wang JC (1996). “Structure and mechanism of DNA topoisomerase II”. Nature 379 (6562): 225–232. doi:10.1038/379225a0. PMID 8538787.

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