Участие ДНК-топоизомераз в клеточных процессах: транскрипция
В отличие от репликации , при транскрипции разделение цепей ДНК происходит лишь локально. Таким образом, необходимость в участии топоизомераз в этом процессе главным образом зависит от того, насколько свободно транскрипционный комплекс может вращаться вокруг ДНК. Среди проблем, которые могут препятствовать этому, надо выделить ко-транскрипционное встраивание насцентных белков в мембрану, широко распространенное у прокариот [ 61 , 62 , 63 ]. При отсутствии возможности свободного вращения, транскрипция приводит к созданию (+) сверхспирального домена перед РНК-полимеразой и (-) сверхспирального за ней [ 64 , 65 ]. Для их устранения бактерии используют соответственно, ДНК-гиразу и топоизомеразу I . В штаммах E. coli мутантных по гену топоизомеразы I (topA) повышенный уровень отрицательной сверхспирализации за РНК-полимеразой приводит к спариванию ДНК и насцентной РНК (образованию R-петель ), которое, в свою очередь, приводит к губительному для клетки сверхвысокому уровню отрицательной суперспирализации за счет активности ДНК-гиразы [ 66 ].
У эукариот транскрипция также связана с изменением сверхспирализации из-за наблюдаемой ассоциации транскрипционных комплексов с ядерными структурами [ 67 , 68 , 69 ], а также сплайсосомами , факторами модификации хроматина и другими ядерными белками [ 70 ]. В работе, посвященной исследованию транскрипции рибосомальных генов в мутантах по топоизомеразе I и топоизомеразе II , показано, что у каждого из ферментов своя роль: топоизомераза I функционирует релаксируя (-) сверхвитки за полимеразой, топоизомераза II снимает (+) сверхвитки перед полимеразой [ 71 ].
Показано [ 54 ] что во время интерфазы топоизомераза II дрожжей ассоциирована либо с репликационной вилкой, либо с промоторными участками. Точная роль топоизомеразы II в этом случае не ясна: либо она предотвращает столкновение репликационных и транскрипционных комплексов, либо необходима для начала транскрипции определенных генов [ 72 ]. Топоизомераза II человека и дрозофилы ассоциирована с ATP-зависимыми комплексами ремоделинга хроматина [ 73 , 74 ]. Есть работы, прямо указывающие на необходимость топоизомеразы II для деконденсации хроматина в процессе регуляции экспрессии генов [ 75 , 76 , 77 , 78 ]. Также как и у прокариот, активность топоизомеразы I в человеческих клетках предотвращает образование R-петель в процессе транскрипции , при этом она работает в комплексе с факторами сплайсинга ASF / SF2 , инактивация генов которых приводит к такому же фенотипу, как и инактивация гена топоизомеразы - накоплению застрявших репликационных вилок и разрывов хромосом в богатых генами участках [ 79 ].
Полногеномные исследования на дрожжах Saccharomyces pombe также демонстрируют, что топоизомераза I необходима для разборки нуклеосом при инициации транскрипции. По-видимому, она работает совместно с ATP-зависимым комплексом ремоделинга Hrp1 [ 80 ]. Также было показано, что топоизомераза I работает как коактиватор в эукариотической системе транскрипции in vitro, облегчая формирование комлекса TFIID - TFIIA на промоторе [ 81 ]. Таким образом, топоизомераза I представляется одним из центральных ферментов, необходимых для координации процессов транскрипции и репликации.
