DNA 회전효소

3. DNA 위상

DNA의 이중 나선 구조는 두 개의 폴리뉴클레오타이드 가닥이 서로 얽히는 것을 포함하며, 이는 잠재적으로 위상학적 문제를 야기한다.^[10] DNA 위상학은 이중 나선의 꼬임을 변화시키는 두 DNA 가닥의 교차를 의미하며, 초나선, 매듭 및 캐테네인과 같은 DNA의 3차원적 형태를 발생시킨다.^[10]

DNA의 이중 나선 구조와 관련된 잠재적인 위상학적 문제는 1953년 제임스 왓슨, 프랜시스 크릭 및 로잘린드 프랭클린에 의해 DNA 구조가 처음 밝혀진 직후에 인식되었으며^[11][12][13], 막스 델브뤽과 존 케언스의 연구를 통해 더욱 발전되었다.^[14][15]

닫힌 원형 이중 가닥 DNA는 3가지 매개변수, 즉 연결수(Lk), 꼬임(Tw), 휘어짐(Wr)으로 설명할 수 있다(그림 1).

• Lk는 두 가닥이 얽힌 횟수를 나타낸다.
• Tw는 나선 축을 기준으로 측정된 DNA의 나선 회전수를 나타낸다.
• Wr는 공간에서 DNA 나선 경로의 코일을 정량화하며 종종 '초나선'과 동일시된다.

4. 종류

DNA 회전효소는 DNA에 결합해서 DNA 골격(backbone)을 절단하는데, 작용 기전에 따라 제I형과 제II형으로 나뉜다.^[71]

• 제I형 DNA 회전효소는 DNA 이중 가닥 중 한 가닥을 절단한 후에, 절단 부위로 끊어진 가닥이 통과하고 다시 절단 부위를 결합하는 기능을 가지고 있다.
• 제II형 DNA 회전효소는 I형과 거의 동일하지만, DNA 이중 가닥의 두 가닥 모두를 절단하며, ATP를 사용한다. 따라서 DNA 복제와 RNA 전사에서 나선효소(헬리케이즈)에 의해 생기는 초나선 DNA의 꼬임을 이완시키는 역할을 담당할 수 있다.

4. 1. I형 DNA 회전효소

• 수정된 부분

4. 1. 1. IA형

대장균의 topoisomerase I (topo I)은 IA형에 속하며, 음의 초나선만 이완시킬 수 있다. 일부 내열성 세균과 내열성 고세균은 reverse gyrase라고 불리는 특수한 IA형 토포아이소머라제를 가지고 있다. reverse gyrase는 헬리케이스 (DNA helicase)와 유사한 도메인을 가지며, ATP 의존적으로 양의 초나선을 도입하는 능력을 갖는다.^[69]

4. 1. 2. IB형

진핵 세포의 topoisomerase I (topo I)은 IB형에 속하며, 항암제인 이리노테칸(irinotecan)과 토포테칸(topotecan)에 의해 저해된다. 두 약물 모두 캄프토테신(camptothecin)의 유사 물질이다.

4. 1. 3. IC형

4. 2. II형 DNA 회전효소

IIB형 토포아이소머라제는, 고세균이나 식물 등에서 발견된다.

4. 2. 1. IIA형

4. 2. 2. IIB형

5. 작동 원리

국소이성질화효소는 DNA를 절단하고 잘려진 가닥을 재결합시켜야 한다. 이때 효소 단백질 활성 부위의 특정 티이로신 잔기는 공유 결합의 중간체로 활용된다. 즉, 효소 활성 부위의 티로신 잔기가 표적 DNA 골격의 인산다이에스터 결합을 공격하여 DNA를 절단하고, 효소와 잘려진 DNA의 한쪽 말단은 인산-티로신 결합을 통해 연결된다.^[71]

DNA의 연결되지 않은 다른 한 쪽 말단은 자유로운 3’-OH를 갖는데, 끊어진 DNA 가닥 사이로 다른 가닥이 통과하고 나면 이 3’-OH가 효소와 DNA가 연결된 인산-티로신 결합을 다시 공격하여 DNA끼리의 재결합이 이루어진다.^[71]

각각 절단하는 가닥 수에 의해 제I형의 경우는 위의 반응을 한 번, 제II형은 두 번 진행하게 된다. 제II형 국소이성질화효소 활성에는 ATP가 추가적으로 필요한데, 그 이유는 복잡한 효소 반응을 촉진하기 위해 효소 단백질 자체의 구조 변형을 해야 하기 때문이다.^[71]

6. 약물 표적으로서의 DNA 회전효소

DNA 회전효소는 항균 및 항암 화학요법에서 중요한 약물 표적이다. 세계보건기구(WHO)의 필수 의약품 목록에는 여러 DNA 회전효소 표적 항균제 및 항암제가 등재되어 있다.

6. 1. 항균 화합물

6. 2. 항암 화합물

7. 전사 조절에서의 역할

DNA 회전효소 II 베타(topo IIβ)를 포함한 적어도 하나의 DNA 회전효소는 유전자 전사 조절 역할을 한다.^{[52][53][54][55]} Topo IIβ에 의존적인 이중 가닥 DNA 절단과 DNA 손상 복구 기전의 구성 요소는 초기 반응 유전자의 신속한 발현뿐만 아니라 신호 반응 유전자 조절에도 중요하다. Topo IIβ는 다른 관련 효소들과 함께^[54] 전사가 매우 활발하거나 긴 유전자에서 일시 정지된 RNA 중합효소의 방출에 중요한 역할을 하는 것으로 보인다.^[56][57][58]

자극에 의해 유도된 DNA 이중 가닥 절단(DSB)은 단기간(10분에서 2시간) 동안 신호 조절 유전자의 프로모터 영역에서 topo IIβ에 의해 유도된다. 이러한 DSB는 여러 시스템에서 이러한 신호 반응 유전자의 발현을 빠르게 상향 조절할 수 있게 한다(아래 표 참조). 이러한 신호 조절 유전자에는 에스트라디올, 혈청, 인슐린, 글루코코르티코이드(예: 덱사메타손) 및 뉴런의 활성화에 대한 자극에 반응하여 활성화되는 유전자가 포함된다. 유도된 DNA 이중 가닥 절단이 복구되면 신호 반응 유전자의 전사는 낮은 수준으로 돌아간다.^[52]

RNA 중합효소 II는 유전자 전사 시작 지점으로부터 약 30~60개의 뉴클레오티드 하류에 빈번하게 일시 정지 지점을 갖는다.^[64][65] 이러한 지점에서 RNA 중합효소 II의 일시 정지 및 일시 정지의 조절된 해제가 유전자 전사에서 조절 역할을 하는 것으로 생각된다. Singh 등^[58]이 지적한 바와 같이 "HeLa 세포에서 발현이 높은 유전자의 약 80%가 일시 정지 상태에 있다". 매우 짧은 시간 동안, 즉시 재봉합되지는 않지만, topo IIβ에 의해 유도된 DNA 이중 가닥 절단이 RNA 중합효소 II 일시 정지 지점에서 발생하며, 일시 정지 상태의 효율적인 해제와 유전자 전사 진행에 필요한 것으로 보인다.^[56][57][58] TOP2B에 의해 유도된 DNA 이중 가닥 절단은 발생하는 유전자의 경우 유전자 발현 조절 과정의 일부로 여겨진다.

참조

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