역 자이레이스

호열성세균에서 발견된 제1형 DNA 국소이성화효소(type I topoisomerase) 계열 중 하나의 효소로 아데노신삼인산(adenosine triphosphate; ATP)을 사용하여 양성 초나선(positive supercoiling)을 형성한다. 

목차

1984년 일본 연구진인 키쿠치 아키히코와 아사이 케이코가 호열성세균인 Sulfolobus acidocaldarius에서 처음 발견한 효소이다¹⁾. 이전까지 양성 초나선을 도입하는 기능의 효소는 밝혀진 바가 없었고, 음성 초나선을 도입하는 DNA 자이레이스와 반대되는 반응을 촉진하기 때문에 역 자이레이스라 명명되었다. DNA 이중나선 중 한 가닥을 잘라 양성 초나선을 도입하기에 제1형 국소이성화효소로 분류되었다²⁾.

대부분의 역 자이레이스는 단량체(monomer)이나, 소수는 이종이량체(heterodimer)로 존재한다. 분자량은 120 kDa 내외이다.

역 자이레이스는 아미노 말단(Amino terminus; N-terminus) 부위에 헬리케이즈 모듈을, 그리고 카복시 말단(Carboxyl terminus; C-terminus) 부위에 국소이성화효소 모듈을 가지고 있다. 헬리케이즈 모듈에는 DNA와 강하게 결합하는 insert와 latch 도메인이 있으며, 양 옆에는 아연 집게(zinc finger)가 있다. 국소이성화효소 모듈에는 양성 초나선을 도입하는 TOPRIM 도메인, 그리고 3차 구조 형성 시 latch 도메인과 결합하는 덮개(lid) 도메인이 있다³⁾⁴⁾.

Thermotoga maritima 역 자이레이스 단백질 도메인 및 3차원 구조 (출처: https://doi.org/10.1093/nar/gks1073)

이중나선이 풀려서 열린 DNA 구조를 인식하여 역 자이레이스가 결합한다. 이 과정에서 insert 및 latch 도메인이 DNA 이중나선 중 한 가닥에 강하게 결합하며, 결합한 자이레이스-DNA 구조에서 DNA 한 가닥이 절단된다. 이때 ATP를 사용하지 않는다. ATP가 역 자이레이스에 결합하면 헬리케이즈 모듈의 구조적 변화(conformational change)가 일어나는데, 이때 latch 도메인과 lid 도메인 사이의 거리가 벌어지면서, 절단된 DNA 가닥 사이 거리가 벌어진다. 변화한 헬레케이즈 모듈은 DNA 이중 가닥에 대한 친화력이 높아져 열린 DNA 구조 양 옆에 있는 이중 가닥 중 하나와 강하게 결합하는데, 이때 DNA 이중나선의 기하학 구조가 변하면서 절단되지 않은 DNA 가닥이 고리를 형성하게 된다. ATP 가수분해로 다시 헬리케이즈 모듈의 구조적 변화가 일어나는데, 이전과 다른 구조를 취하면서 DNA 고리로 하여금 양성 초나선을 형성하게 한다. 이 후 latch는 원 상태로 돌아가 다시 lid와 결합하고, 가수분해된 ADP는 ATP로 교체되어 반응이 다시 일어난다⁴⁾.

역 자이레이스에 의한 양성 고차코일 도입 기전 (출처: https://doi.org/10.1093/nar/gku589)

아직까지 역 자이레이스의 생리학적 역할은 명확하지 않았지만, 호열성세균에서 발견되는 것으로 미루어 볼 때, 강한 열로 인해 생기는 게놈(genome) 상 열린 DNA 구조를 제거하는 기능을 수행할 것으로 추정된다⁵⁾. 또한, DNA 절단 등과 같은 피해가 나타날 때 증가하는 점에서 DNA 샤페론(chaperone)의 기능을 하는 것으로 추측된다⁶⁾⁷⁾⁸⁾.

DNA, 국소이성화효소, DNA 자이레이스, 도메인

윤장원/강원대학교

이정신/강원대학교

1. Kikuchi A, Asai K. 1984. Reverse gyrase: a topoisomerase which introduces positive superhelical turns into DNA. Nature 309, 677-681.
2. Nagasu S, Kikuchi A. 1985. Reverse gyrase; ATP-dependent type I topoisomerase from Sulfolobus. EMBO J. 4, 2705-2710.
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