Girase DNA

Girase DNA, atau cukup disebut girase, adalah enzim dalam kelas topoisomerase dan merupakan subkelas dari topoisomerase Tipe II^[1] yang mengurangi tegangan topologis secara bergantung pada ATP saat DNA untai ganda sedang dibuka oleh polimerase RNA yang sedang memanjang^[2] atau oleh helikase di depan "garpu" replikasi yang sedang bergerak maju.^[3][4] Enzim ini merupakan satu-satunya enzim yang diketahui secara aktif menyebabkan superkoiling negatif pada DNA, sekaligus mampu mengendurkan superkoil positif. Hal ini dilakukan dengan cara melengkungkan untai cetakan hingga membentuk persilangan, lalu memotong salah satu untai heliks ganda dan melewatkan untai lainnya melalui celah tersebut sebelum menyambungkan kembali bagian yang terputus; proses ini mengubah bilangan tautan sebesar dua satuan pada setiap langkah enzimatik. Proses ini terjadi pada bakteri, di mana DNA sirkular tunggal dipotong oleh girase DNA dan kedua ujungnya kemudian dipilin satu sama lain untuk membentuk superkoil. Girase juga ditemukan pada plastid eukariota: enzim ini telah ditemukan pada apikoplas parasit malaria Plasmodium falciparum^[5][6] dan pada kloroplas beberapa jenis tumbuhan.^[7] DNA girase bakteri merupakan target bagi banyak antibiotik termasuk asam nalidiksat, novobiosin, albisidin, dan siprofloksasin.

Kemampuan unik girase untuk memasukkan superkoil negatif ke dalam DNA dengan memanfaatkan hidrolisis ATP^[1] adalah hal yang memungkinkan DNA bakteri memiliki superkoil negatif bebas. Kemampuan girase untuk mengendurkan superkoil positif berperan penting selama replikasi DNA dan transkripsi prokariotik. Sifat heliks DNA menyebabkan superkoil positif menumpuk di depan enzim yang sedang bergerak (translokasi)—dalam hal replikasi DNA, enzim tersebut adalah polimerase DNA. Kemampuan girase (dan topoisomerase IV) untuk mengendurkan superkoil positif memungkinkan pelepasan tegangan superheliks di depan polimerase sehingga replikasi dapat terus berlangsung.

Struktur girase

Girase DNA adalah enzim tetramerik yang terdiri dari 2 subunit GyrA ("A") dan 2 subunit GyrB ("B").^[8] Secara struktural, kompleks ini dibentuk oleh 3 pasang "gerbang"; pembukaan dan penutupan gerbang secara berurutan menghasilkan transfer langsung segmen DNA serta pemasukan 2 superkoil negatif. Gerbang-N dibentuk oleh domain ATPase dari subunit GyrB. Pengikatan 2 molekul ATP menyebabkan dimerisasi, dan dengan demikian penutupan gerbang tersebut. Sebaliknya, hidrolisis menyebabkan gerbang terbuka kembali. Pemotongan dan penyambungan kembali DNA dilakukan oleh pusat katalitik yang terletak pada gerbang DNA yang dibentuk oleh seluruh subunit girase. Gerbang C dibentuk oleh subunit GyrA.^[9]

Model mekanokimia aktivitas girase

Sebuah studi molekul tunggal^[10] telah mengkarakterisasi aktivitas girase sebagai fungsi dari tegangan DNA (gaya yang diterapkan) dan ATP, serta mengusulkan sebuah model mekanokimia. Setelah berikatan dengan DNA (keadaan "girase-DNA"), terjadi kompetisi antara pelilitan DNA dan disosiasi, di mana peningkatan tegangan DNA memperbesar kemungkinan terjadinya disosiasi. Berdasarkan siklus katalitik yang diusulkan, pengikatan 2 molekul ATP menyebabkan dimerisasi domain ATPase dari subunit GyrB dan penangkapan segmen-T DNA (T- dari mentransfer) di dalam rongga di antara subunit GyrB. Pada tahap berikutnya, enzim memotong segmen-G DNA (G- dari gerbang), sehingga menghasilkan pemutusan untai ganda. Kemudian, segmen-T dipindahkan melewati celah tersebut, yang disertai dengan hidrolisis molekul ATP pertama. DNA-girase menyambungkan kembali celah pada segmen-G, dan segmen-T akhirnya lepas dari kompleks enzim. Hidrolisis molekul ATP kedua mengembalikan sistem ke tahap awal siklus.^[11] Sebagai hasil dari siklus katalitik ini, dua molekul ATP dihidrolisis dan dua superkoil negatif terbentuk pada templat DNA. Jumlah putaran superheliks yang terbentuk pada DNA sirkular yang awalnya dalam keadaan relaks telah dihitung kira-kira sama dengan jumlah molekul ATP yang dihidrolisis oleh girase.^[12] Oleh karena itu, dapat disimpulkan bahwa dua molekul ATP dihidrolisis dalam setiap siklus reaksi oleh girase, yang menghasilkan perubahan nilai nomor tautan sebesar -2.^[13]

Spesifisitas girase

Girase memiliki spesifisitas yang nyata terhadap substrat DNA. Situs pengikatan girase yang kuat (strong gyrase binding sites, SGS) ditemukan pada beberapa fag (kelompok bakteriofag Mu) dan plasmid (pSC101, pBR322). Baru-baru ini, pemetaan high-throughput terhadap situs girase DNA pada genom Escherichia coli menggunakan pendekatan Topo-Seq mengungkap adanya motif pengikatan yang panjang (≈130 bp) dan degenerat yang dapat menjelaskan keberadaan SGS tersebut. Motif girase ini mencerminkan pelilitan DNA di sekeliling kompleks enzim serta fleksibilitas DNA. Motif ini memuat dua wilayah periodik di mana "pulau" kaya GC berselang-seling dengan segmen kaya AT dengan periode yang mendekati periode heliks ganda DNA (≈10,5 bp). Kedua wilayah tersebut berkaitan dengan pengikatan DNA oleh domain C-terminus subunit GyrA dan menyerupai motif pengikatan nukleosom eukariotik.^[2]

Penghambatan oleh antibiotik

Girase ditemukan pada prokariota dan beberapa eukariota, namun struktur maupun urutan enzim-enzim tersebut tidak sepenuhnya serupa dan memiliki afinitas yang berbeda terhadap berbagai molekul. Hal ini menjadikan girase sebagai target yang baik bagi antibiotik. Dua golongan antibiotik yang menghambat girase adalah:

• Aminokumarin (termasuk novobiosin dan kumermisin A1), yang bekerja melalui penghambatan kompetitif terhadap transduksi energi DNA girase dengan cara berikatan pada situs aktif ATPase di subunit GyrB.^[14][15]
• Kuinolon (termasuk asam nalidiksat dan siprofloksasin) dikenal sebagai "racun topoisomerase". Dengan berikatan pada enzim, senyawa ini memerangkap enzim dalam tahap transien siklus katalitik, sehingga mencegah penyambungan kembali segmen G. Akibatnya terjadi akumulasi pemutusan untai ganda, penghentian "garpu replikasi", dan kematian sel. Bakteri yang resisten terhadap kuinolon sering kali memiliki topoisomerase bermutasi yang tidak dapat diikat oleh kuinolon.

Subunit A dinonaktifkan secara selektif oleh antibiotik seperti asam oksolinat dan asam nalidiksat. Subunit B dinonaktifkan secara selektif oleh antibiotik seperti kumermisin A₁ dan novobiosin. Penghambatan terhadap salah satu subunit akan menghentikan aktivitas super-pilin.^[16]

Fag T4

Gen 39, 52, dan 60 pada fag T4 mengodekan protein yang membentuk DNA girase; enzim ini digunakan dalam replikasi DNA fag saat menginfeksi inang bakteri E. coli.^[17] Protein dari gen 52 fag memiliki homologi dengan subunit gyrA pada girase bakteri,^[18] sedangkan protein dari gen 39 fag memiliki homologi dengan subunit gyrB.^[19] Karena DNA girase inang E. coli dapat mengkompensasi sebagian hilangnya produk gen fag tersebut, mutan yang mengalami defek pada gen 39, 52, atau 60 tidak menghentikan replikasi DNA fag sepenuhnya, melainkan hanya menunda inisiasinya.^[17] Mutan dengan defek pada gen 39, 52, atau 60 menunjukkan peningkatan rekombinasi genetika serta peningkatan mutasi substitusi basa dan delesi; hal ini mengindikasikan bahwa sintesis DNA yang dikompensasi oleh inang memiliki akurasi yang lebih rendah dibandingkan sintesis yang diarahkan oleh fag tipe liar.^[20] Mutan dengan defek pada gen 39 juga menunjukkan peningkatan kerentanan terhadap inaktivasi akibat penyinaran ultraviolet pada tahap infeksi fag setelah inisiasi replikasi DNA, yaitu saat terdapat banyak salinan kromosom fag.^[21]

Lihat pula

• Motif RNA GyrA

Referensi

Pranala luar

• PDBe-KB Templat:PDBe-KB: an overview of all the structure information available in the PDB for Escherichia coli DNA gyrase subunit A
• PDBe-KB Templat:PDBe-KB: an overview of all the structure information available in the PDB for Salmonella enterica DNA gyrase subunit B

Templat:DNA replication Templat:Topoisomerases Templat:Enzymes