ADN gyrase - DNA gyrase
| ADN-gyrase | |||||||||
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| Identifiants | |||||||||
| CE n° | 5.99.1.3 | ||||||||
| Bases de données | |||||||||
| IntEnz | Vue IntEnz | ||||||||
| BRENDA | Entrée BRENDA | ||||||||
| ExPASy | Vue NiceZyme | ||||||||
| KEGG | Entrée KEGG | ||||||||
| MétaCycle | voie métabolique | ||||||||
| PRIAM | profil | ||||||||
| Structures de l' APB | RCSB PDB PDBe PDBsum | ||||||||
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L'ADN gyrase , ou simplement la gyrase , est une enzyme de la classe des topoisomérases et est une sous-classe des topoisomérases de type II qui réduit la contrainte topologique d'une manière dépendante de l'ATP tandis que l' ADN double brin est déroulé par l'allongement de l' ARN-polymérase ou par l' hélicase devant de la fourche de réplication en cours . L'enzyme provoque un superenroulement négatif de l'ADN ou détend les superenroulements positifs. Il le fait en bouclant le gabarit de manière à former un croisement, puis en coupant l'une des doubles hélices et en passant l'autre à travers elle avant de relâcher la cassure, en changeant le nombre de liaison par deux à chaque étape enzymatique. Ce processus se produit chez les bactéries , dont l'ADN circulaire unique est coupé par l'ADN gyrase et les deux extrémités sont ensuite enroulées l'une autour de l'autre pour former des superbobines. La gyrase est également présente dans les plastes eucaryotes : elle a été trouvée dans l' apicoplaste du parasite du paludisme Plasmodium falciparum et dans les chloroplastes de plusieurs plantes. L' ADN gyrase bactérienne est la cible de nombreux antibiotiques , dont l'acide nalidixique , la novobiocine et la ciprofloxacine .
La capacité unique de la gyrase à introduire des superbobines négatives dans l'ADN au détriment de l'hydrolyse de l'ATP est ce qui permet à l'ADN bactérien d'avoir des superbobines négatives libres. La capacité de la gyrase à détendre les superbobines positives entre en jeu lors de la réplication de l'ADN et de la transcription procaryote . La nature hélicoïdale de l'ADN provoque l'accumulation de superbobines positives devant une enzyme de translocation, dans le cas de la réplication de l'ADN, une ADN polymérase . La capacité de la gyrase (et de la topoisomérase IV ) à détendre les superbobines positives permet à la tension superhélicoïdale en amont de la polymérase d'être libérée afin que la réplication puisse se poursuivre.
Structure de gyrase
L'ADN gyrase est une enzyme tétramère constituée de 2 sous-unités GyrA ("A") et 2 GyrB ("B"). Structurellement, le complexe est formé de 3 paires de "portes", dont l'ouverture et la fermeture séquentielles entraînent le transfert direct du segment d'ADN et l'introduction de 2 superbobines négatives. Les portes N sont formées par les domaines ATPase des sous-unités GyrB. La liaison de 2 molécules d'ATP conduit à la dimérisation et donc à la fermeture des portes. L'hydrolyse, au contraire, les ouvre. Le clivage et la réunion de l'ADN sont effectués par un centre catalytique situé dans les portes de l'ADN construites par toutes les sous-unités de la gyrase. Les portes C sont formées de sous-unités GyrA.
Modèle mécanochimique de l'activité de la gyrase
Une étude sur une seule molécule a caractérisé l'activité de la gyrase en fonction de la tension de l'ADN (force appliquée) et de l' ATP , et a proposé un modèle mécanochimique. Lors de la liaison à l'ADN (état "Gyrase-ADN"), il y a une compétition entre l'enveloppement et la dissociation de l'ADN, où l'augmentation de la tension de l'ADN augmente la probabilité de dissociation. Selon le cycle catalytique proposé, la liaison de 2 molécules d'ATP provoque la dimérisation des domaines ATPase des sous-unités GyrB et la capture d'un segment T de l'ADN (T-from transfer ) dans une cavité entre les sous-unités GyrB. Lors d'une étape suivante, l'enzyme clive un segment G de l'ADN (G-de la porte ) en créant une cassure double brin . Ensuite, le segment T est transféré à travers la cassure, ce qui s'accompagne de l'hydrolyse de la première molécule d'ATP. L'ADN-gyrase ligature la rupture d'un segment G en arrière et le segment T quitte finalement le complexe enzymatique. L'hydrolyse du deuxième ATP ramène le système à l'étape initiale d'un cycle. À la suite d'un cycle catalytique, deux molécules d'ATP sont hydrolysées et deux superbobines négatives sont introduites dans la matrice d'ADN. Le nombre de tours superhélicoïdaux introduits dans un ADN circulaire initialement relaxé a été calculé pour être approximativement égal au nombre de molécules d'ATP hydrolysées par la gyrase Par conséquent, on peut suggérer que deux molécules d'ATP sont hydrolysées par cycle de réaction par la gyrase, conduisant à la introduction d'une différence de liaison de -2.
Spécificité de la gyrase
La gyrase a une spécificité prononcée pour les substrats d'ADN. De forts sites de liaison à la gyrase (SGS) ont été trouvés dans certains phages ( groupe du bactériophage Mu ) et plasmides ( pSC101 , pBR322 ). Récemment, une cartographie à haut débit des sites d'ADN gyrase dans le génome d' Escherichia coli en utilisant l'approche Topo-Seq a révélé un motif de liaison long (≈130 pb) et dégénéré qui peut expliquer l'existence de SGS. Le motif gyrase reflète l'enroulement de l'ADN autour du complexe enzymatique et la flexibilité de l'ADN. Il contient deux régions périodiques dans lesquelles des îlots riches en GC sont alternés avec des taches riches en AT par une période proche de la période de la double hélice d'ADN (≈10,5 pb). Les deux régions correspondent à la liaison à l'ADN par les domaines C-terminaux des sous-unités GyrA et ressemblent au motif de liaison aux nucléosomes eucaryotes.
Inhibition par les antibiotiques
La gyrase est présente chez les procaryotes et certains eucaryotes, mais les enzymes ne sont pas entièrement similaires dans leur structure ou leur séquence et ont des affinités différentes pour différentes molécules. Cela fait de la gyrase une bonne cible pour les antibiotiques . Deux classes d'antibiotiques qui inhibent la gyrase sont :
- Les aminocoumarines (dont la novobiocine et la coumermycine A1 ), qui agissent par inhibition compétitive de la transduction énergétique de l'ADN gyrase en se liant au site actif de l'ATPase sur la sous-unité GyrB.
- Les quinolones (dont l'acide nalidixique et la ciprofloxacine ) sont connues sous le nom de poisons de la topoisomérase. En se liant à l'enzyme, ils la piègent dans une étape transitoire du cycle catalytique, empêchant la réunion d'un segment G. Il en résulte une accumulation de cassures double brin , un blocage des fourches de réplication et la mort cellulaire. Les bactéries résistantes aux quinolones hébergent fréquemment des topoisomérases mutées qui résistent à la liaison des quinolones.
La sous-unité A est sélectivement inactivée par des antibiotiques tels que les acides oxolinique et nalidixique. La sous-unité B est sélectivement inactivée par des antibiotiques tels que la coumermycine A 1 et la novobiocine. L'inhibition de l'une ou l'autre des sous-unités bloque l'activité de supertorsion.
Phage T4
Les gènes 39, 52 et 60 du phage T4 codent pour des protéines qui forment une ADN gyrase qui est utilisée dans la réplication de l'ADN du phage pendant l'infection de l' hôte bactérien E. coli . La protéine du gène 52 du phage partage une homologie avec la sous-unité gyrA bactérienne de la gyrase et la protéine du gène 39 du phage partage une homologie avec la sous-unité gyrB. Puisque l' ADN gyrase d' E. coli hôte peut partiellement compenser la perte des produits du gène du phage, les mutants défectueux dans les gènes 39, 52 ou 60 n'abolissent pas complètement la réplication de l'ADN du phage, mais retardent plutôt son initiation. Les mutants défectueux dans les gènes 39, 52 ou 60 présentent une recombinaison génétique accrue ainsi qu'une substitution de base accrue et une mutation par délétion suggérant que la synthèse d'ADN compensée par l'hôte est moins précise que celle dirigée par le phage de type sauvage. Un mutant défectueux dans le gène 39 montre également une sensibilité accrue à l'inactivation par irradiation ultraviolette pendant le stade de l'infection du phage après l'initiation de la réplication de l'ADN lorsque plusieurs copies du chromosome du phage sont présentes.
