دی‌ان‌ای ژیراز چیست؟
در دنیای میکروبیولوژی، دی‌ان‌ای ژیراز یا توپوایزومراز پروکاریوتی نقشی بی‌بدیل ایفا می‌کند. این آنزیم، که به طور عمومی به عنوان دی‌ان‌ای ژیراز شناخته می‌شود، تنها آنزیمی است که توانایی وارد کردن سوپرکویل‌های منفی به دی‌ان‌ای را دارد.
توپوایزومرازهای دی‌ان‌ای یک گروه از آنزیم‌ها هستند که قادرند تا وضعیت توپولوژیکی مولکول‌های دی‌ان‌ای را تغییر دهند. این آنزیم‌ها به دو دسته تقسیم می‌شوند: نوع I و نوع II. توپوایزومرازهای دی‌ان‌ای از منابع مختلفی از جمله ویروسی، پروکاریوتی و یوکاریوتی به دست آمده‌اند.
باکتری ترموفیل سولفولوبوس یک نمونه از میکروب‌هایی است که دی‌ان‌ای ژیراز را تولید می‌کند. این ژیراز، معروف به “ژیراز معکوس”، در حضور ATP قادر است پیچ‌های فوق مارپیچی مثبت را به دی‌ان‌ای اضافه کند. این یافته، از اهمیت بسیاری برخوردار است زیرا علیرغم عدم وجود آن در یوکاریوت‌های بالاتر، برای همه باکتری‌ها ضروری است و اهداف جذابی برای تحقیقات ضدباکتریایی ارائه می‌دهد.
کشف دی‌ان‌ای ژیراز
در سال ۱۹۷۶، گلرت و همکارانش در جریان تحقیقات برای شناسایی اجزای میزبان اشریشیا کلی برای ادغام مکان محور باکتریوفاژ λ، نخستین بار دی‌ان‌ای ژیراز را کشف کردند.
قبل از این کشف، دو نوع مهارکننده سنتز دی‌ان‌ای به نام‌های کینولون‌ها (نظیر نالیدیکسیک اسید، اکسولینیک اسید و سیپروفلوکساسین) و کومارین‌ها (نظیر نووبیوسین، کومرمایسین و کلروبیوسین) مورد استفاده قرار می‌گرفتند. از آن زمان تا کنون، دی‌ان‌ای ژیراز هدف اصلی این دسته‌های ضدباکتری بوده است.
ساختار دی‌ان‌ای ژیراز
این آنزیم از دو پروتئین متمایز تشکیل شده است که هر کدام توسط ژن‌های خاصی کدگذاری می‌شوند. این ژن‌ها قبلاً به عنوان مکان‌های ژنتیکی تعیین‌کننده مقاومت اسید نالیدیکسیک یا کومرمایسین شناخته می‌شدند. با کشف دی‌ان‌ای ژیراز، این ژن‌ها به عنوان gyrA و gyrB شناخته می‌شوند و به صورت یک تترامر A2B2 مرتب می‌شوند.
در ساختار دی‌ان‌ای ژیراز، تیروزین نقش اساسی در برش و بستن دی‌ان‌ای را ایفا می‌کند.
ساختار و واکنش‌های دی‌ان‌ای ژیراز: ابزاری برای کنترل توپولوژی دی‌ان‌ای
دی‌ان‌ای ژیراز: ساختار و عملکرد
دی‌ان‌ای ژیراز (DNA gyrase) یک آنزیم بسیار حیاتی است که توانایی تغییر وضعیت توپولوژیکی مولکول‌های دی‌ان‌ای را داراست. این آنزیم علاوه بر سوپرکویل‌سازی منفی، می‌تواند دو دایره دی‌ان‌ای دوتایی را به هم متصل و جدا کند، و همچنین دی‌ان‌ای سوپرکویل‌شده منفی را بدون نیاز به ATP ریلکس کند.
سوپرکویلینگ و ریلکسیشن
فعالیت سوپرکویلینگ دی‌ان‌ای توسط اسپرمیدین ایجاد می‌شود و به ATP نیز نیاز دارد. در دمای 30 درجه سانتی‌گراد، تخمین زده شده است که یک مولکول این آنزیم می‌تواند سرعت ایجاد اختلاف عدد پیوندی تقریباً 100 تا در دقیقه را داشته باشد.
دی‌ان‌ای سوپرکویل شده منفی در غیاب ATP توسط ژیراز ریلکس می‌شود. این فرآیند به طور قابل‌توجهی کارآمدتر از فعالیت ریلکسیشن ژیراز است و برای دستیابی به سرعت مشابه به 20 تا 40 برابر آنزیم نیاز دارد.
کاتناسیون، دکاتناسیون و گره‌گشایی
ژیراز قادر است دی‌ان‌ای گره خورده را باز کند و تولید و تجزیه کاتنان‌های دی‌ان‌ای را کاتالیز کند. همچنین، این آنزیم می‌تواند به تحریک کاتناسیون (اتصال) و دکاتناسیون (تجزیه) دی‌ان‌ای کمک کند. علاوه بر این، اسپرمیدین نیز به تحریک این فرآیندها کمک می‌کند، ولی مشاهده شده است که ATP برای هر دوی این فرآیندها مورد نیاز است.
این مجموعه از فعالیت‌های دی‌ان‌ای ژیراز نشان می‌دهد که این آنزیم نقش مهمی در کنترل توپولوژی دی‌ان‌ای دارد و از اهمیت بالایی در فعالیت‌های سلولی برخوردار است.
تحلیل مدل‌های کمپلکس ژیراز- دی‌ان‌ای و مکانیسم‌های واکنشی آن
مدل‌های پیچیده کمپلکس ژیراز- دی‌ان‌ای
بر اساس تفسیرهای گوناگون از داده‌های پرت و مشاهدات میکروسکوپ الکترونی، Kirchhausen و Krueger مدل‌های پیچیده‌ای از کمپلکس ژیراز- دی‌ان‌ای ارائه داده‌اند. Kirchhausen فرض کرده که ساختار این کمپلکس مشابه یک قلب با DNA پیچیده در اطراف پروتئین است، به طوری که مرکز آن در فضای بین لوب‌های بالایی قلب قرار دارد.
حدود 120 جفت باز دی‌ان‌ای به دور پروتئین در کمپلکس ژیراز- دی‌ان‌ای پیچیده شده است. این فرضیه مدعی است که دم دی‌ان‌ای در زاویه 120 درجه قرار دارد و در نزدیکی نقاط ورود و خروج دی‌ان‌ای قرار می‌گیرد. ابعاد ذره ژیراز به‌طور تقریبی 175 آنگستروم در 52 آنگستروم تخمین زده شده است.
مکانیسم سوپرکویل‌سازی دی‌ان‌ای توسط ژیراز
واکنش‌های توپوایزومرازی نیازمند اتصال پروتئین به دی‌ان‌ای، برش دی‌ان‌ای، گذر رشته، پیوند مجدد دی‌ان‌ای و در برخی موارد هیدرولیز ATP هستند. ژیراز به ویژگی‌های مکانیکی خاصی نیاز دارد که بر ظرفیت آن برای سوپرکویل کردن دی‌ان‌ای تأثیر می‌گذارد.
واکنش‌های مشاهده شده در دی‌ان‌ای ژیراز شامل:
– سوپرکویل‌سازی منفی وابسته به ATP در دی‌ان‌ای دو رشته‌ای مدور بسته
– ریلکسیشن مستقل از ATP در دی‌ان‌ای سوپرکویل شده منفی
– ریلکسیشن وابسته به نوکلئوتید در دی‌ان‌ای سوپرکویل شده مثبت
– تشکیل و تجزیه دی‌ان‌ای کاتناسیون شده
– تجزیه دی‌ان‌ای گره خورده
– شکستگی دو رشته‌ای دی‌ان‌ای ناشی از کینولون یا یون کلسیم
– هیدرولیز ATP وابسته به دی‌ان‌ای
این واکنش‌ها بخشی از یک مکانیسم واحد هستند که ممکن است در شرایط و بسترهای مختلف متفاوت عمل کنند.
برهم‌کشی ژیراز با آنتی‌بیوتیک‌ها: مفاهیم و مکانیسم‌های عمل
ژیراز به دلیل اهمیت بالایش در سلول‌های باکتریایی و عدم وجود فعالیت مشابه در یوکاریوت‌ها، به‌عنوان یک هدف درمانی مهم محسوب می‌شود.
آنتی‌بیوتیک‌ها به‌طور عمده در دو گروه کینولون‌ها و کومارین‌ها قرار می‌گیرند. با این‌حال، ترکیبات دیگری نیز وجود دارند که در هیچ‌یک از این دسته‌بندی‌ها قرار نمی‌گیرند.
داروهای کینولون
کینولون‌ها از ظرفیت بالقوه‌ای برای شکستن دی‌ان‌ای توسط ژیراز بهره می‌برند. واکنش برش دی‌ان‌ای توسط ژیراز، نشانگر اثربخشی یک داروی خاص به‌عنوان یک مهارکننده ژیراز است.
این واکنش به‌عنوان تأییدیه‌ای برای اینکه یک رویداد برش دو رشته‌ای به‌عنوان بخشی از مکانیسم عادی برای سوپرکویل دی‌ان‌ای اتفاق می‌افتد، تفسیر شده است. این فرضیه پیشنهاد می‌دهد که داروهای کینولون از فرآیند برش دی‌ان‌ای در فرآیند سوپرکویل شدن دی‌ان‌ای جلوگیری می‌کنند.
داروهای کومارین
ژیراز به‌طور خاص به‌عنوان هدف اولیه داروهای کومارین معرفی شده است. مکانیسم دقیق که توسط آن کومارین‌ها فرآیند ATPase ژیراز را مهار می‌کنند، هنوز مشخص نشده است. بر اساس آزمایش‌های سینتیکی، نووبیوسین و کومرمایسین احتمالاً به‌عنوان مهارکننده‌های رقابتی در مسیر هیدرولیز ATP و سوپرکویل شدن دی‌ان‌ای عمل می‌کنند.
دیگر داروها
علاوه بر خانواده کینولون‌ها و کومارین‌ها، تعداد کمی دارو به عنوان مهارکننده ژیراز شناخته شده‌اند. تحقیقات اخیر نشان می‌دهد که دو آنتی‌بیوتیک غیر از کینولون‌ها و کومارین‌ها ممکن است بتوانند به ژیراز در داخل سلول‌ها هدف قرار دهند.
سینودین (Cinodine) یک آنتی‌بیوتیک از کلاس گلیکوسیننامویل‌اسپرمیدین (Glycocinnamoylspermidine) است که توسط باکتری‌های گونه نوکاردیا (Nocardia) تولید می‌شود. آزمایشات برون‌تنی با دی‌ان‌ای ژیراز مربوط به میکروکوکوس نشان داده است که این دارو به دی‌ان‌ای متصل شده و از سوپرکویل شدن آن جلوگیری می‌کند.
میکروسین B17 (Microcin B17) در برابر طیف وسیعی از انتروباکتری‌ها (Enterobacteria) موثر است. این دارو یک مهارکننده تکثیر دی‌ان‌ای است که باعث توقف سریع سنتز دی‌ان‌ای، تحریک پاسخ SOS، تجزیه دی‌ان‌ای و مرگ سلول می‌شود.
نقش درون‌تنی (In Vivo) ژیراز
ژیراز به‌عنوان یک عامل میزبان ضروری برای ادغام مکان محور باکتریوفاژ λ شناخته شده است. اکنون با رونویسی (Transcription) و تکثیر دی‌ان‌ای، مدولاسیون کشش کروموزومی فوق مارپیچی و تعداد زیادی از دیگر عملکردهای سلولی مرتبط است.
همانندسازی دی‌ان‌ای
برای همانندسازی دی‌ان‌ای به صورت درون‌تنی، حضور دی‌ان‌ای ژیراز ضروری است. به دلیل واپیچیدگی رشته دی‌ان‌ای در چنگال همانندسازی (Replication fork)، سوپرکویل‌سازی منفی از همانندسازی تسهیل‌کننده است.
داروهایی که توانایی مهار همانندسازی را دارند، همچنین توانایی مهار فعالیت ژیراز را نیز دارند. علاوه بر این، جهش‌هایی که حساس به دما در ژن‌های gyrA و gyrB در باکتری E. coli وجود دارد، از همانندسازی دی‌ان‌ای هنگامی که دمای محیط بسیار بالا است، جلوگیری می‌کند.
به نظر می‌رسد که جهش‌های gyrA و gyrB اثرات متفاوتی بر روی برخی از فرآیندهای همانندسازی دارند. در حالی که یک جهش gyrA باعث توقف سریع و طولانی شدن زنجیره می‌شود، جهش gyrB از شروع همانندسازی جلوگیری می‌کند، اما توانایی مهار طول زنجیره را ندارد.
رونویسی
داروهایی که فعالیت dna را کاهش می‌دهند، ممکن است بر میزان بیان ژن (Gene expression) تأثیرگذار باشند. به عنوان مثال، سوپرکویل‌سازی منفی دی‌ان‌ای، ظرفیت رونویسی را در مقایسه با دی‌ان‌ای ریلکس‌شده، شکاف‌دار یا خطی، بهبود می‌بخشد.
سوپرکویل‌سازی منفی هم می‌تواند رونویسی را فعال یا مهار کند. بنابراین، ایده‌آل است که کارکرد ژیراز در طول رونویسی، ریلکس کردن سوپرکویل‌های مثبت قبل از کمپلکس رونویسی باشد. به عبارت دیگر، توپوایزومراز I، سوپرکویل‌های منفی را از پشت ریلکس می‌کند.
با راشا زیست همراه باشید….
