DNA 자이레이스

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DNA 자이레이스

[ DNA gyrase ]

제2형 DNA 국소이성화효소(type II topoisomerase) 계열 중 하나의 효소로 아데노신삼인산(adenosine triphosphate; ATP)을 사용하여 음성 초나선(negative supercoiling)을 형성한다. 이를 통해 DNA 꼬임을 방지하여, 미생물의 DNA 복제, 재조합 및 전사에 크게 기여한다.

목차

  1. 1.기원 및 명명
  2. 2.효소 구조
  3. 3.효소 활성 기전 및 기능
  4. 4.산업적 가치
  5. 5.관련용어
  6. 6.집필
  7. 7.감수
  8. 8.참고문헌

기원 및 명명

DNA 자이레이스는 1976년 미국국립보건원(National Institute of Health; NIH) 산하 분자생물학연구소에 소속되었던 마틴 겔러트(Martin F. Gellert) 박사 연구진이 무세포 박테리오파지 DNA 재조합 연구 과정에서 처음 발견했다1).

항생제 날리딕산(nalidixic acid)과 쿠메르마이신(coumermycin) A1의 타깃 유전자인 nalA와 cou는 DNA 자이레이스의 효소 활성에 영향을 주는 것으로 밝혀졌고2), 이후 DNA 자이레이스를 구성하는 서브유닛임이 밝혀지면서 nalA는 gyrA, cou는 gyrB로 명명되었다3). 1980년 리로이 리우(Leroy F. Liu) 박사 연구진이 DNA 자이레이스가 다른 DNA 국소이성화효소와 달리, DNA 이중나선 두 가닥 모두를 절단하는 것을 밝혀내면서 제2형 국소이성화효소에 포함되었다4). DNA 자이레이스는 생명체의 기본 중 하나인 DNA의 구조적 조절에 반드시 필요한 효소이기에 항존유전자(housekeeping gene) 중 하나이다. 미생물 생존에 필수불가결한 기능을 가지고 있어 항생제 개발 및 DNA 질병 연구의 주요 타깃으로 여겨지고 있다.

효소 구조

DNA 자이레이스는 2개의 GyrA와 2개의 GyrB가 결합된 이종사량체(heterotetramer)이다.

GyrA는 105-kDa 크기의 서브유닛으로, 아미노 말단(Amino terminus; N-terminus) 도메인에는 DNA가 결합하는 DNA 게이트(DNA gate)와 초나선 완화 시 DNA 가닥이 빠져나가는 C게이트(C-gate; Exit gate)로 구성되어 있다. 카복시 말단(Carboxyl terminus; C-terminus) 도메인의 경우 GyrA 서브유닛에 단백질연결자를 통해 연결되어 있으며 초단코일 완화 시 DNA가 자이레이스에 엮일 수 있게 해 준다.

GyrB는 95-kDa 크기의 서브유닛으로, 아미노 말단은 ATP가 결합 및 가수분해가 일어나는 N 게이트(N-gate; ATP gate)로 구성되어 있다. 그러나 카복시 말단의 경우 구조가 명확히 밝혀지지 않았다5).

그림 1. DNA 자이레이스 구조 (출처: 10.1128/JB.188.2.619-632.2006)

효소 활성 기전 및 기능

DNA 가닥과 DNA 자이레이스가 서로 결합하여 엮이면서 자이레이스-DNA 상태가 되며, GyrA 카복시 말단 도메인이 위로 향하게 된다. DNA 가닥이 엮이면서 N-gate가 닫히게 되며, 2 개의 ATP 결합을 통해 DNA gate에 맞닿고 있는 DNA 가닥인 G 선분(Gate segment; G-segment)이 통과시킬 T 선분(Transport segment; T-segment)의 아래에 위치하게 된다. 다음으로 G선분이 절단됨과 동시에 DNA gate가 열리는데, 이때 T 선분이 통과하게 된다. 이를 통해 음성 초나선이 형성된다. 절단된 G선단은 다시 재결합하며, 이후 T 선분은 C-gate를 통해 DNA 자이레이스에서 빠져나오게 된다. 2개의 ATP를 가수분해함으로써 N-gate의 구조를 초기화하여 다음 음성 초나선 형성을 수행하며, ATP 가수분해와 함께 G선단과 분리되면 음성 초나선 형성 반응을 종료한다5).

전사 및 DNA 복제 과정 중 DNA 중합효소 결합 및 헬리케이스(helicase)에 의한 DNA 풀림으로 인해 양성 초나선이 생기는데, DNA 자이레이스는 이에 상응하는 음성 초나선을 형성하여 양성 초나선을 완화하는 역할을 수행한다. 이를 통해 전사와 DNA 복제가 정상적으로 수행될 수 있게 해 준다6).

그림 2. DNA 자이레이스 음성 초나선 도입 기전 (출처: https://doi.org/10.1073/pnas.1102100108)

산업적 가치

DNA 자이레이스는 미생물의 전사, DNA 재조합 및 복제 등에 필요한 효소로, 미생물의 생존과 직접적으로 연관되어 있다. 관련된 효소 기능을 저하하거나 억제할 경우 미생물의 성장에 치명적인 영향을 주기 때문에, DNA 자이레이스는 항생제 개발 연구에 있어서 매우 중요한 타깃 단백질이다. DNA 자이레이스의 기능을 억제하는 항생제로는 날리딕산, 쿠메르마이신 A1, 아미노쿠마린(aminocoumarin), 시프로플록사신(ciprofloxacin), 퀴놀론(quinolone) 및 플루오로퀴놀론(fluoroquinolone) 등이 알려져 있다7). 그러나 DNA 자이레이스 안의 항생제 결합 부위에서 관찰되는 지속적인 돌연변이 유발을 통해 현재 해당 항생제에 내성을 띄는 병원균들이 등장하고 있는 추세이다.

관련용어

DNA, DNA 복제, 박테리오파지

집필

윤장원/강원대학교

감수

이정신/강원대학교

참고문헌

1. Gellert M, Mizuuchi K, O’Dea MH, Nash HA. 1976. DNA gyrase: An enzyme that introduces superhelical turns into DNA. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 73, 3872-3876.
2. Mizuuchi K, O’Dea MH, Gellert M. 1978. DNA gyrase: Subunit structure and ATPase activity of the purified enzyme. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 75, 5960-5963.
3. Cozzarelli NR. 1980. DNA gyrase and the supercoiling of DNA. Science 207, 953-960.
4. Liu LF, Liu C, Alberts BM. 1980. Type II DNA topoisomerase: Enzymes that can unknot a topologically knotted DNA molecule via a reversible double-strand break. Cell 19, 697-707.
5. Klostermeier D. 2018. Why two? On the role of (A-)symmetry in negative supercoiling of DNA by gyrase. Int. J. Mol. Sci. 19, 1489-1504.
6. Dorman CJ, Dorman MJ. 2016. DNA supercoiling is a fundamental regulatory principle in the control of bacterial gene expression. Biophys. Rev. 8, S89-S100.
7. Engle EC, Manes SH, Drlica K. 1982. Differential effects of antibiotics inhibiting gyrase. J. Bacteriol. 149, 92-98.

동의어

DNA 자이레이스, DNA gyrase