DNA拓撲異構酶

在閉環狀雙鏈DNA的拓撲學轉變中，要暫時的將DNA的一個鏈或兩個鏈切斷，根據異構體化的方式而分為二個型。切斷一個鏈而改變拓撲結構的稱為Ⅰ型拓撲異構酶（top- oisomeraseⅠ），通過切斷二個鏈來進行的稱為Ⅱ型拓撲異構酶（topoisomeraseⅡ）。屬於Ⅰ型的拓撲異構酶，有大腸桿菌的ω蛋白（ω-protein，由分子量11萬的單個多肽鏈所成）及各種真核細胞中存在的切斷-結合酶（nicking-closing enzyme，分子量約6萬5千—7萬的及分子量約10萬的）。Ⅱ型拓撲異構酶，有存在於細菌中的DNA促旋酶、噬菌體T4的拓撲異構酶Ⅱ以及真核細胞中依賴ATP的拓撲異構酶Ⅱ等。另外，噬菌體λ的irt基因產物和噬菌體φX174的基因A的產物等也具有切斷—結合酶的活性，可認為是拓撲異構酶之一種。Ⅰ型拓撲異構酶不需要ATP的能量而催化異構體化，作為反應的中間產物，在原核生物來説是遊離型的5′-OH末端扣3′-磷酸末端與酶形成共價鍵，而真核生物是3′-OH末端5′-磷酸末端與酶形成共價鍵。此酯鍵中所貯存的能量，可能在切斷端的再結合上起着作用。Ⅰ型拓撲異構化酶催化的反應有下列各種：使超螺旋DNA在每一切斷—結合反應中，使L數（參見DNA拓撲學異構體）發生一種變化，即鬆弛（relaxation）（圖1）。將互補的單鏈環狀DNA轉變成具有螺旋結構的雙鏈環狀DNA（圖 2），使單鏈DNA打結（topological knot）或解結（圖3）。另外在二個環狀雙鏈DNA一個分子的一個鏈切斷時，形成鏈環狀二聚體的分子（ca-tenane）。在Ⅱ型拓撲異構酶中，DNA促旋酶可單獨催化閉環狀DNA產生超螺旋，這是獨特的。其它二個型的酶，除可使超螺旋鬆弛也需要ATP的能量外，還可催化促旋酶的催化反應。真核細胞的拓撲異構酶Ⅰ，參與核小體的形成，細菌的ω蛋白參與轉錄和某種轉位子的插入。促旋酶和T4拓撲異構酶Ⅱ參與DNA的複製和轉錄過程。

DNA拓撲異構酶在DNA解鏈時在將要打結或已打結處作切口。下游的DNA穿越切口並作一定程度的旋轉，把結打開或解松，然後旋轉復位連結。這樣解鏈就不因打結的阻絆而繼續下去。即使出現打結現象，雙鏈的局部打開，也會導致DNA超螺旋的其他部分過度擰轉，形成正超螺旋。拓撲酶通過切斷、旋轉和再連接的作用，實現DNA超螺旋的轉型，即把正超螺旋變成負超螺旋。