DNA解决:拓扑异构酶删除我们的遗传结

拓扑异构酶是酶，它们在我们的细胞中大量存在，并且可以暂时切断并重新加入我们的DNA，以除去结和缠结期间重要的生物学过程的形式。如果他们没有做好自己的工作，细胞可能死亡。一些抗癌和抗菌药物改变这个自然的过程，以消除不需要的细胞。尼尔·奥谢罗夫博士，医学范德比尔特大学医学院生物化学和医学教授，多年来一直研究如何拓扑异构酶切割和归队DNA，以及我们如何利用这些知识来设计出更好的药物。

脱氧核糖核酸（DNA）持有小区的所有遗传信息。这是一个指导手册，提供关于如何更好地拓展业务，功能，复制和更多的细胞。这是写在四个字母的“字母”或“代码”。每个字母被称为DNA碱基。单个细胞中含有一个惊人的六十亿DNA碱基对，线性排列的一个接一个。DNA的每个细胞核内的总长度为2米，而大致372000亿细胞内的人体DNA的总长度为60十亿公里。地球和月球之间的距离仅仅是384400公里。这怎么可能？

DNA双螺旋具有的包装多层，以适应5-10微米大小的细胞核内。DNA的这种三维折叠为蛋白质如何，离子和其它分子可以在重要的细胞过程与DNA访问和交互重要。这种过程包括DNA的复制（复制）细胞分裂时，在检测到损坏的碱基时的DNA的编码成RNA（转录）的前奏蛋白质的合成，和DNA的修复。

放松，拓扑异构酶在这里
细胞中的DNA可以过度扭曲或欠扭曲，最终形成我们所称的超螺旋状态，在这种状态下，DNA会围绕自身扭曲，以释放施加在双螺旋上的扭转应力。DNA可以是负超螺旋（左旋/逆时针扭曲或欠缠绕）或正超螺旋（右手/顺时针扭转或过度缠绕）。细胞中DNA的极度紧实加剧了与DNA超螺旋相关的问题。

还可以休息一下。拓扑异构酶切割的DNA通过在双螺旋曲折创建释放张力。

通常，DNA是负超螺旋的。这使DNA的两条链更容易分开。因此，蛋白质和其他因子在重要细胞过程需要时更容易接近DNA。然而，在复制和转录等事件中，双螺旋会过度扭曲（或正超螺旋），这使得打开DNA更加困难。这种张力抑制了这些过程。此外，在重组和复制过程中，结（即单个DNA片段内的链接）和缠结（即不同DNA片段之间的链接）被引入双螺旋。打结和缠结阻止细胞功能的进展。为了避免有害后果，必须控制扭转应力以及DNA中的打结和缠结。这是由一组称为拓扑异构酶的酶完成的，这些酶通过瞬间断裂和重新连接DNA来起作用。

你周围的一切都是数字
通过比较不同的盘绕状态和DNA的松弛状态(DNA处于无扭转应力状态)，精确的数学表达式被用来描述超盘绕。数十年的科学研究告诉我们，拓扑异构酶可以区分松弛DNA和超盘绕DNA，并可以“看到”和切割特定的DNA序列。由于这些能力，拓扑异构酶被称为细胞的分子数学家。然而，许多基本问题仍然与他们行动的准确性和速度有关。

范德比尔特大学医学院生物化学和医学教授尼尔·奥舍洛夫博士多年来一直致力于了解拓扑异构酶的工作原理。2014年，Osheroff博士团队的Lindsey博士确定拓扑异构酶II的活性部分(催化核心)负责检测DNA在切割和重新连接双螺旋时的超螺旋旋向。然而，催化核心不能独立重排DNA。2019年，Jang博士与Osheroff博士的实验室合作进行了一项研究，监测了拓扑异构酶II活性的几个步骤，以确定切割位点的选择以及切割和修复如何发生。研究小组发现，拓扑异构酶II首先弯曲DNA，这是切割的关键一步。然后它根据蛋白质和DNA之间的相互作用选择一个切割点。DNA弯曲的速率与切割的速率正相关，表明了一个连接的机制。在整个过程中，与蛋白质-DNA复合物相关的金属离子是至关重要的，对DNA弯曲和遗传物质的切割和重新连接都很重要。切断后重新连接DNA的能力是至关重要的，可以防止双螺旋结构的永久性损伤。

范德比尔特研究小组还揭示了拓扑异构酶是如何去除正的超螺旋并与不牢固的DNA相互作用的。在2017年的一项研究中，他们调查了细菌拓扑异构酶（回转酶和拓扑异构酶IV）的活性。他们发现回转酶去除正超螺旋的效率是引入负超螺旋的十倍，以每秒放松100个超螺旋的惊人速度工作。拓扑异构酶IV还区分了DNA几何结构，正超螺旋DNA的松弛速度是负超螺旋分子的三倍。

拓扑异构酶巧妙地将一个自然的细胞过程与有效的抗癌和抗菌药物的设计联系起来。

不可挽回的损害带来的好处
切割和放松（或解开/ unknotting）DNA后，迅速地重新加入拓扑异构酶DNA骨架。如果不修理的话，在DNA断裂可能是致命的细胞。拓扑异构酶的这种天然的DNA切割的能力被利用来设计一些最常用的抗癌和抗细菌药物。这些药物典型地通过稳定拓扑异构酶通过创建的双链断裂和阻断重新加入切割DNA末端的行动。这些行动抑制DNA修复和杀死癌细胞或细菌细胞。这一类药物被称为拓扑异构酶毒物。

奥谢罗夫博士的实验室还试图准确地理解如何毒药拓扑异构酶的工作，目的是利用这些知识来设计用于癌症和细菌感染的新药。

性的时代
近年来，对常用抗菌药物具有耐药性的细菌数量有所增加。对拓扑异构酶靶向药物的耐药性通常是由于细菌DNA拓扑异构酶、旋回酶或拓扑异构酶IV的改变(突变)，这些改变(突变)负责与药物相互作用。包括Osheroff博士在内的科学家们一直致力于攻克这种抗药性。2019年，范德比尔特大学的研究小组研究了一种名为gepotidacin的新药如何杀死细菌细胞。该药物是旋回酶活性的有效抑制剂，对引起皮肤感染和泌尿生殖道淋病的细菌以及对普通抗生素有耐药性的细菌有效。研究小组发现，gepotidacin促进了双螺旋链上未修复的切割，并抑制了DNA的超盘绕和正向超盘绕DNA的松弛。单链断裂可以稳定长达4小时，这足以杀死细菌细胞。

总的来说，拓扑异构酶巧妙地将一个自然的细胞过程与有效的抗癌和抗菌药物的设计联系起来。这些生物数学剪刀可以以令人难以置信的速度和精度切割、放松和重新加入我们的DNA，这样我们的细胞就可以健康。如果想要的结果是杀死不需要的细胞，那么它们就会被切断而不进行修复。