إنزيم DNA جيريز

إنزيم DNA gyrase ، أو ببساطة gyrase ، هو إنزيم ينتمي إلى فئة إنزيمات topoisomerase ، وهو فئة فرعية من إنزيمات topoisomerase من النوع الثاني ^{[ 1 ]} ، يعمل على تقليل الإجهاد الطوبولوجي بطريقة تعتمد على ATP أثناء فك التفاف الحمض النووي المزدوج بواسطة بوليميراز RNA المُطيل ^{[ 2 ]} أو بواسطة إنزيم helicase أمام شوكة التضاعف المتقدمة . ^{[ 3 ] [ 4 ]} وهو الإنزيم الوحيد المعروف الذي يُساهم بنشاط في تكوين التفاف فائق سالب للحمض النووي، كما أنه قادر على إرخاء الالتفافات الفائقة الموجبة. ويتم ذلك عن طريق لف القالب لتشكيل تقاطع، ثم قطع أحد الحلزونات المزدوجة وتمرير الآخر من خلاله قبل فك القطع، مما يُغير عدد الروابط بمقدار اثنين في كل خطوة إنزيمية. تحدث هذه العملية في البكتيريا ، حيث يتم قطع الحمض النووي الدائري المفرد بواسطة DNA gyrase، ثم تلتف نهايتاه حول بعضهما البعض لتشكيل التفافات فائقة. يوجد إنزيم الجيراز أيضًا في البلاستيدات حقيقية النواة : فقد وُجد في البلاستيدة القمية لطفيلي الملاريا المتصورة المنجلية ^{[ 5 ] [ 6 ]} وفي البلاستيدات الخضراء للعديد من النباتات. ^{[ 7 ]} يُعد إنزيم الجيراز البكتيري هدفًا للعديد من المضادات الحيوية ، بما في ذلك حمض الناليديكسيك ، والنوفوبيوسين ، والألبيسيدين ، والسيبروفلوكساسين .

إن قدرة إنزيم الجيراز الفريدة على إدخال التواءات فائقة سالبة في الحمض النووي (DNA) على حساب تحلل جزيئات ATP ^{[ 1 ]} هي ما يسمح للحمض النووي البكتيري بوجود التواءات فائقة سالبة حرة. وتبرز قدرة الجيراز على إرخاء الالتواءات الفائقة الموجبة خلال تضاعف الحمض النووي ونسخه في بدائيات النوى. تتسبب الطبيعة الحلزونية للحمض النووي في تراكم الالتواءات الفائقة الموجبة أمام إنزيم النقل، وهو في حالة تضاعف الحمض النووي، إنزيم بوليميراز الحمض النووي . وتتيح قدرة الجيراز ( والتوبويزوميراز IV ) على إرخاء الالتواءات الفائقة الموجبة تخفيف التوتر الحلزوني الفائق أمام البوليميراز، مما يسمح باستمرار عملية التضاعف.

إنزيم DNA gyrase هو إنزيم رباعي يتكون من وحدتين فرعيتين GyrA ("A") ووحدتين فرعيتين GyrB ("B"). ^{[ 8 ]} يتكون هذا المركب بنيويًا من 3 أزواج من "البوابات"، يؤدي فتحها وإغلاقها بالتتابع إلى النقل المباشر لقطعة DNA وإدخال لفتين فائقتين سالبتين. تتكون البوابات N من نطاقات ATPase في الوحدات الفرعية GyrB. يؤدي ارتباط جزيئين من ATP إلى تكوين ثنائي، وبالتالي إغلاق البوابات. وعلى العكس من ذلك، يؤدي التحلل المائي إلى فتحها. يتم قطع DNA وإعادة ربطه بواسطة مركز تحفيزي موجود في بوابات DNA التي تُبنى بواسطة جميع الوحدات الفرعية للإنزيم. تتكون البوابات C من الوحدات الفرعية GyrA. ^{[ 9 ]}

وصفت دراسةٌ لجزيءٍ واحد ^{[ 10 ]} نشاطَ إنزيم الجيراز كدالةٍ لشدّ الحمض النووي (القوة المُطبَّقة) وتركيز الأدينوسين ثلاثي الفوسفات (ATP )، واقترحت نموذجًا ميكانيكيًا كيميائيًا. عند ارتباط الجيراز بالحمض النووي (حالة "جيراز-حمض نووي")، يحدث تنافسٌ بين التفاف الحمض النووي وانفصاله، حيث يؤدي ازدياد شدّ الحمض النووي إلى زيادة احتمالية الانفصال. وفقًا للدورة التحفيزية المقترحة، يؤدي ارتباط جزيئين من الأدينوسين ثلاثي الفوسفات إلى تكوين ثنائي الوحدات الفرعية لإنزيم الجيراز B (GyrB) والتقاط قطعة T من الحمض النووي (T- من النقل ) في تجويفٍ بين وحدات GyrB الفرعية. في الخطوة التالية، يقوم الإنزيم بقطع قطعة G من الحمض النووي (G- من البوابة ) مُحدثًا كسرًا في السلسلة المزدوجة . ثم تنتقل قطعة T عبر الكسر، مصحوبةً بتحلل جزيء الأدينوسين ثلاثي الفوسفات الأول. يُعيد إنزيم الجيراز ربط الكسر بقطعة G، وتغادر قطعة T في النهاية مُركَّب الإنزيم. يُعيد تحلل جزيء ATP الثاني النظام إلى الخطوة الأولى من الدورة. ^{[ 11 ]} ونتيجةً لدورة تحفيزية، يتحلل جزيئان من ATP، وتُضاف لفتان حلزونيتان سالبتان إلى قالب الحمض النووي DNA. وقد حُسب عدد اللفات الحلزونية الفائقة المُضافة إلى الحمض النووي الدائري المُسترخي مبدئيًا، ووجد أنه يُساوي تقريبًا عدد جزيئات ATP التي تحللها إنزيم الجيراز. ^{[ 12 ]} لذا، يُمكن افتراض أن جزيئين من ATP يتحللان في كل دورة تفاعل بواسطة إنزيم الجيراز، مما يؤدي إلى فرق في الارتباط مقداره -2. ^{[ 13 ]}

يتميز إنزيم الجيراز بتخصصه الواضح تجاه ركائز الحمض النووي. وقد وُجدت مواقع ارتباط قوية للجيراز (SGS) في بعض العاثيات ( مجموعة عاثيات Mu ) والبلازميدات ( pSC101 ، pBR322 ). وكشفت دراسة حديثة باستخدام تقنية Topo-Seq ^{[ 2 ]} عن رسم خرائط عالي الإنتاجية لمواقع ارتباط الجيراز في جينوم الإشريكية القولونية ، حيث تم تحديد نمط ارتباط طويل (≈130 زوجًا قاعديًا) ومتكرر، مما يفسر وجود مواقع الارتباط القوية للجيراز. يعكس نمط الجيراز التفاف الحمض النووي حول معقد الإنزيم ومرونة الحمض النووي. ويحتوي على منطقتين دوريتين تتناوب فيهما جزر غنية بالـ GC مع بقع غنية بالـ AT بفترة قريبة من فترة اللولب المزدوج للحمض النووي (≈10.5 زوجًا قاعديًا). تتوافق هاتان المنطقتان مع ارتباط الحمض النووي بواسطة النطاقات الطرفية C لوحدات GyrA الفرعية، وتشبهان نمط ارتباط النيوكليوسوم في حقيقيات النوى. ^{[ 2 ]}

يوجد إنزيم الجيراز في بدائيات النوى وبعض حقيقيات النوى، لكن هذه الإنزيمات لا تتشابه تمامًا في بنيتها أو تسلسلها، ولها ميول مختلفة تجاه جزيئات مختلفة. وهذا ما يجعل الجيراز هدفًا جيدًا للمضادات الحيوية . ومن بين فئات المضادات الحيوية التي تثبط الجيراز:

• تعمل الأمينوكومارينات (بما في ذلك نوفوبيوسين وكوميرميسين A1) عن طريق التثبيط التنافسي لنقل الطاقة بواسطة إنزيم DNA جيريز من خلال الارتباط بالموقع النشط لإنزيم ATPase على الوحدة الفرعية GyrB. ^{[ 14 ] [ 15 ]}
• تُعرف الكينولونات (بما في ذلك حمض الناليديكسيك والسيبروفلوكساسين ) باسم مثبطات إنزيم توبويزوميراز . ترتبط هذه الكينولونات بالإنزيم ، فتحبسه في مرحلة مؤقتة من دورة التحفيز، مانعةً إعادة التحام قطعة G. ينتج عن ذلك تراكم كسور في سلسلتي الحمض النووي ، وتوقف شوكات التضاعف، وموت الخلية. غالبًا ما تحتوي البكتيريا المقاومة للكينولونات على إنزيمات توبويزوميراز متحولة تقاوم ارتباط الكينولونات.

يتم تعطيل الوحدة الفرعية A بشكل انتقائي بواسطة المضادات الحيوية مثل حمض الأوكسولينيك وحمض الناليديكسيك. كما يتم تعطيل الوحدة الفرعية B بشكل انتقائي بواسطة المضادات الحيوية مثل الكوميرميسين A1 _{والنوفوبيوسين} . ويؤدي تثبيط أي من الوحدتين الفرعيتين إلى منع نشاط الالتواء الفائق. ^{[ 16 ]}

تشفر جينات العاثية T4 رقم 39 و52 و60 بروتينات تُشكل إنزيم DNA gyrase الذي يُستخدم في تضاعف الحمض النووي للعاثية أثناء إصابة بكتيريا الإشريكية القولونية المضيفة . ^{[ 17 ]} يتشابه بروتين جين العاثية رقم 52 مع الوحدة الفرعية gyrA لإنزيم gyrase البكتيري ^{[ 18 ]} ، ويتشابه بروتين جين العاثية رقم 39 مع الوحدة الفرعية gyrB. ^{[ 19 ]} ولأن إنزيم DNA gyrase في بكتيريا الإشريكية القولونية المضيفة يُمكنه التعويض جزئيًا عن فقدان نواتج جينات العاثية، فإن الطفرات المعيبة في أي من الجينات 39 أو 52 أو 60 لا تُوقف تضاعف الحمض النووي للعاثية تمامًا، بل تُؤخر بدءه. ^{[ 17 ]} تُظهر الطفرات المعيبة في الجينات 39 أو 52 أو 60 زيادة في إعادة التركيب الجيني، بالإضافة إلى زيادة في طفرات استبدال القواعد وحذفها ، مما يشير إلى أن تخليق الحمض النووي المُعوض في الخلية المضيفة أقل دقة من ذلك الذي يوجهه العاثي من النوع البري. ^{[ 20 ]} كما تُظهر طفرة معيبة في الجين 39 حساسية متزايدة للتثبيط بواسطة الأشعة فوق البنفسجية خلال مرحلة عدوى العاثي بعد بدء تضاعف الحمض النووي عند وجود نسخ متعددة من كروموسوم العاثي . ^{[ 21 ]}

• وحدة GyrA RNA

• PDBe-KB P0AES4 : نظرة عامة على جميع معلومات البنية المتوفرة في بنك بيانات البروتين (PDB) للوحدة الفرعية A من إنزيم DNA gyrase في بكتيريا الإشريكية القولونية
• PDBe-KB P0A2I3 : نظرة عامة على جميع معلومات البنية المتوفرة في بنك بيانات البروتين (PDB) للوحدة الفرعية B من إنزيم DNA gyrase في بكتيريا السالمونيلا المعوية