拓扑异构酶

拓扑异构酶（topoisomerase）是一类通过切断DNA的一条或两条链中的磷酸二酯键，然后重新缠绕和封口来改变DNA连环数的酶。拓扑异构酶I通过切断DNA中的一条链减少负超螺旋，增加一个连环数。某些拓扑异构酶II也称为DNA促旋酶。

DNA拓扑异构酶（DNA topoisomerase）为催化DNA拓扑学异构体相互转变的酶之总称。催化DNA链断开和结合的偶联反应，为了分析体外反应机制，常用环状DNA为底物。在闭环状双链DNA的拓扑学转变中，需暂时将DNA的一个链或两个链切断，根据异构体化的方式分为两个类型。切断一个链而改变拓扑结构的称为I型拓扑异构酶（topoisomerase I），通过切断两个链来进行的称为II型拓扑异构酶（topoisomerase II）。

属于I型的拓扑异构酶，有大肠杆菌的ω蛋白（ω-protein，由分子量11万的单个多肽链所成）及各种真核细胞中存在的切断-结合酶（nicking-closing enzyme，分子量约6.5万—7万及分子量约10万的）。II型拓扑异构酶，有存在于细菌中的DNA促旋酶、噬菌体T4的拓扑异构酶II以及真核细胞中依赖ATP的拓扑异构酶II等。另外，噬菌体λ的int基因产物和噬菌体φX174的基因A的产物等也具有切断—结合酶的活性，可认为是拓扑异构酶之一种。

I型拓扑异构酶不需要ATP的能量而催化异构体化，作为反应的中间产物，在原核生物来说是游离型的5'-OH末端和3'-磷酸末端与酶形成共价键，而真核生物是3'-OH末端和5'-磷酸末端与酶形成共价键。此酯键中所贮存的能量，可能在切断端的再结合上起着作用。I型拓扑异构化酶催化的反应有下列各种：使超螺旋DNA在每一切断—结合反应中，使L数（参见DNA拓扑学异构体）发生一种变化，即松弛（relaxation）。将互补的单链环状DNA转变成具有螺旋结构的双链环状DNA，使单链DNA打结（topological knot）或解结。另外在二个环状双链DNA一个分子的一个链切断时，形成链环状二聚体的分子（catenane）。

在II型拓扑异构酶中，DNA促旋酶可单独催化闭环状DNA产生超螺旋，这是独特的。其它二个型的酶，除可使超螺旋松弛也需要ATP的能量外，还可催化促旋酶的催化反应。

真核细胞的拓扑异构酶I参与核小体的形成，细菌的ω蛋白参与转录和某种转位子的插入。促旋酶和T4拓扑异构酶II参与DNA的复制和转录过程。

拓扑异构酶是多种抗肿瘤药物（如喜树碱靶向I型，依托泊苷靶向II型）和抗菌药物（如喹诺酮类靶向DNA促旋酶）的靶点，在医学和药理学中具有重要地位。

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