국소이성화효소
[ Topoisomerase ]
DNA 이중나선의 하나 또는 양 가닥을 절단 및 연결시켜 DNA 초나선(supercoiling) 상태를 조절하는 효소다. DNA 전사 및 복제 시 이중나선 구조로 인해 생기는 DNA 꼬임을 풀어주는 기능을 가지고 있다.
목차
기원 및 명명
1971년 캘리포니아 대학교 소속 제임스 왕(James C. Wang) 박사에 의해 발견되었다. 발견 당시 왕 박사는 이 효소를 ‘단백질 ω’ 라 명명하였다1). 이후 연구를 통해, DNA의 인산디에스테르 결합(phosphodiester bond)을 끊어 초나선을 풀어 주고 다시 연결하면서 DNA의 형태(topology)에 변화를 주지만, 분자 구조에 영향을 주지 않는 이성화효소(isomerase)임이 밝혀졌고, 이러한 특징 때문에 국소이성화효소로 명명되었다.
기능
자연 상태에서 DNA 이중나선 가닥은 초나선, 연쇄체(catenane) 또는 매듭(knot) 상태로 존재한다. 유전체 패키징(packaging), DNA 전사, 원형 DNA 또는 플라스미드 복제 과정에서 일어나는 현상으로, 이들을 풀어주어야 DNA 대사 및 공정(processing)이 효과적으로 일어날 수 있다. 예를 들어, 전사 과정에서 헬리케이스(helicase)에 의해 열린 DNA 구조 주변에 꼬임이 생기면서 tension이 증가하는데, 이를 풀어 주어야 정상적인 전사 반응이 일어난다.
국소이성화효소는 이러한 DNA 꼬임을 풀어 준다. 즉, 효소 안의 활성 부위에 보존된 타이로신(tyrosine) 잔기를 통해 일시적으로 DNA 가닥을 끊어 풀어 주는 것이다2)3).
DNA 위상 형태 및 관련 국소이성화효소 (출처: doi: 10.1101/gad.872301)
종류
국소이성화효소는 절단하는 가닥 수에 따라 제1형과 제2형 국소이성화효소로 나뉜다4). 일반적으로 효소 내 보존된 타이로신(tyrosine) 잔기를 통해 DNA 가닥을 끊는다.
제1형 국소이성화효소는 DNA 이중나선 중 한 가닥의 인산디에스테르 결합을 끊어 이중나선 내 꼬임을 풀어주는데, 결합 절단 시 ATP를 소모하지 않는다. 미생물 내 존재하는 제1형 국소이성화효소로는 다음과 같다.
| 하위 계열 | 효소명 | 기능 | 다합체 | 금속 이온 필요 유무 | 절단 가닥 수 | 연결수 (Linking number) 변화 |
| IA | Topoisomerase I | 음성 고차코일 제거 | 단량체 | Mg2+ | 단일 가닥 | ±1 |
| Topoisomerase III | 음성 고차코일 제거; IV와 기능 중첩 | |||||
| 역자이레이스(Reverse gyrase) | 음성 고차코일 제거 | 이종이량체 | ||||
| IC | Topoisomerase V | 음성 및 양성 고차코일 제거 | 단량체 | X |
제2형 국소이성화효소는 DNA 이중나선의 두 가닥 모두 절단해, 절단되지 않은 이중나선이 통과하게 하여 고차코일을 풀어준다. 결합 절단 시 ATP를 소모한다. 미생물 내 존재하는 제2형 국소이성화효소는 다음과 같다.
| 하위 계열 | 효소명 | 기능 | 다합체 | 금속 이온 | 절단 가닥 수 | 연결수 (Linking number) 변화 |
| IIA | DNA 자이레이스(gyrase) | 음성 고차코일 도입 | 이종사량체 | Mg2+ | 이중 가닥 | ±2 |
| Topoisomerase IV | 음성 고차코일 제거; 연쇄체 해체에 기여 | |||||
| IIB | Topoisomerase VI | 음성 및 양성 고차코일 제거; 고균류에서만 발견 | 이종사량체 |
의학적 가치
미생물의 DNA 구조 및 전사 조절에 반드시 필요한 국소이성화효소는 항생제 타깃 단백질이다. 과거 개발된 다양한 항생제들은 국소이성화효소의 DNA 절단 및 재결합 기능을 억제함을 통해 미생물 성장을 효과적으로 억제하였다5). 현재까지는 제2형 국소이성화효소를 주 타깃으로 삼았으나, 제1형 국소이성화효소를 억제하는 약물 개발 또한 지속적으로 연구되고 있다6).
관련용어
집필
윤장원/강원대학교
감수
이정신/강원대학교
참고문헌
1. Kresge N, Simoni RD, Hill RL. 2007. Unwinding the DNA topoisomerase story: the work of James C. Wang. J. Biol. Chem. 282, e17.
2. Champoux JJ. 2001. DNA topoisomerases: structure, function, and mechanism. Annu. Rev. Biochem. 70, 369–413.
3. Deibler RW, Rahmati S, Zechiedrich EL. 2001. Topoisomerase IV, alone, unknots DNA in E. coli. Genes Dev. 15, 748-761.
4. Wang JC. 1991. DNA topoisomerases: why so many?. J. Biol. Chem. 266, 6659–6662.
5. Mitscher LA. 2005. Bacterial topoisomerase inhibitors: quinolone and pyridone antibacterial agents. Chem. Rev. 105, 559–592.
6. Sandhaus S, Chapagain PP, Tse-Dinh YC. 2018. Discovery of novel bacterial topoisomerase I inhibitors by use of in silico docking and in vitro assays. Sci. Rep. 8, 1437.
동의어
Topoisomerase, topoisomerase, 국소이성화효소