ADN girasa

La ADN girasa , o simplemente girasa , es una enzima perteneciente a la clase de las topoisomerasas y es una subclase de las topoisomerasas de tipo II ^{[ 1 ]} que reduce la tensión topológica de manera dependiente de ATP mientras el ADN de doble cadena se desenrolla por acción de la ARN polimerasa en elongación ^{[ 2 ]} o por la helicasa frente a la horquilla de replicación en avance . ^{[ 3 ] [ 4 ]} Es la única enzima conocida que contribuye activamente al superenrollamiento negativo del ADN, a la vez que es capaz de relajar los superenrollamientos positivos. Lo hace doblando la plantilla para formar un cruce, luego cortando una de las dobles hélices y pasando la otra a través de ella antes de liberar la ruptura, cambiando el número de enlace en dos en cada paso enzimático. Este proceso ocurre en bacterias , cuyo ADN circular simple es cortado por la ADN girasa y los dos extremos se retuercen entre sí para formar superenrollamientos. La girasa también se encuentra en los plastidios eucariotas : se ha encontrado en el apicoplasto del parásito de la malaria Plasmodium falciparum ^{[ 5 ] [ 6 ]} y en los cloroplastos de varias plantas. ^{[ 7 ]} La ADN girasa bacteriana es el objetivo de muchos antibióticos , incluidos el ácido nalidíxico , la novobiocina , la albicidina y la ciprofloxacina .

La capacidad única de la girasa para introducir superenrollamientos negativos en el ADN a expensas de la hidrólisis de ATP ^{[ 1 ]} es lo que permite que el ADN bacteriano tenga superenrollamientos negativos libres. La capacidad de la girasa para relajar los superenrollamientos positivos entra en juego durante la replicación del ADN y la transcripción procariota . La naturaleza helicoidal del ADN hace que los superenrollamientos positivos se acumulen delante de una enzima translocadora, en el caso de la replicación del ADN, una ADN polimerasa . La capacidad de la girasa (y la topoisomerasa IV ) para relajar los superenrollamientos positivos permite que se libere la tensión superhelicoidal delante de la polimerasa para que la replicación pueda continuar.

La ADN girasa es una enzima tetramérica que consta de 2 subunidades GyrA ("A") y 2 subunidades GyrB ("B"). ^{[ 8 ]} Estructuralmente, el complejo está formado por 3 pares de "compuertas", cuya apertura y cierre secuenciales dan como resultado la transferencia directa de un segmento de ADN y la introducción de 2 superenrollamientos negativos. Las compuertas N están formadas por los dominios ATPasa de las subunidades GyrB. La unión de 2 moléculas de ATP conduce a la dimerización y, por lo tanto, al cierre de las compuertas. La hidrólisis, por el contrario, las abre. La escisión y la reunificación del ADN se realizan mediante un centro catalítico ubicado en las compuertas de ADN formadas por todas las subunidades de la girasa. Las compuertas C están formadas por las subunidades GyrA. ^{[ 9 ]}

Un estudio de molécula única ^{[ 10 ]} ha caracterizado la actividad de la girasa en función de la tensión del ADN (fuerza aplicada) y el ATP , y ha propuesto un modelo mecanoquímico. Al unirse al ADN (estado "Girasa-ADN"), se produce una competencia entre el enrollamiento y la disociación del ADN, donde el aumento de la tensión del ADN incrementa la probabilidad de disociación. Según el ciclo catalítico propuesto, la unión de 2 moléculas de ATP provoca la dimerización de los dominios ATPasa de las subunidades GyrB y la captura de un segmento T del ADN (T- de transferring ) en una cavidad entre las subunidades GyrB. En un paso posterior, la enzima escinde un segmento G del ADN (G- de gate ) produciendo una rotura de doble cadena . A continuación, el segmento T se transfiere a través de la rotura, lo que se acompaña de la hidrólisis de la primera molécula de ATP. La ADN-girasa liga la rotura en un segmento G de vuelta y el segmento T finalmente abandona el complejo enzimático. La hidrólisis del segundo ATP devuelve el sistema al paso inicial de un ciclo. ^{[ 11 ]} Como resultado de un ciclo catalítico, se hidrolizan dos moléculas de ATP y se introducen dos superhélices negativas en la plantilla de ADN. Se ha calculado que el número de vueltas superhelicoidales introducidas en un ADN circular inicialmente relajado es aproximadamente igual al número de moléculas de ATP hidrolizadas por la girasa. ^{[ 12 ]} Por lo tanto, se puede sugerir que se hidrolizan dos moléculas de ATP por ciclo de reacción de la girasa, lo que lleva a la introducción de una diferencia de enlace de -2. ^{[ 13 ]}

La girasa presenta una marcada especificidad por los sustratos de ADN. Se han encontrado sitios de unión fuertes a la girasa (SGS) en algunos fagos ( grupo de bacteriófagos Mu ) y plásmidos ( pSC101 , pBR322 ). Recientemente, el mapeo de alto rendimiento de los sitios de ADN girasa en el genoma de Escherichia coli mediante el enfoque Topo-Seq ^{[ 2 ]} reveló un motivo de unión largo (≈130 pb) y degenerado que puede explicar la existencia de los SGS. El motivo de la girasa refleja el enrollamiento del ADN alrededor del complejo enzimático y la flexibilidad del ADN. Contiene dos regiones periódicas en las que las islas ricas en GC se alternan con parches ricos en AT con un periodo cercano al de la doble hélice del ADN (≈10,5 pb). Las dos regiones corresponden a la unión al ADN por los dominios C-terminales de las subunidades de GyrA y se asemejan al motivo de unión al nucleosoma eucariota. ^{[ 2 ]}

La girasa está presente en procariotas y algunos eucariotas, pero las enzimas no son completamente similares en estructura o secuencia, y tienen diferentes afinidades por distintas moléculas. Esto convierte a la girasa en un buen objetivo para los antibióticos . Dos clases de antibióticos que inhiben la girasa son:

• Las aminocumarinas (incluidas la novobiocina y la coumermicina A1 ), que actúan mediante la inhibición competitiva de la transducción de energía de la ADN girasa al unirse al sitio activo de la ATPasa en la subunidad GyrB. ^{[ 14 ] [ 15 ]}
• Las quinolonas (incluidos el ácido nalidíxico y la ciprofloxacina ) son conocidas como inhibidores de la topoisomerasa. Al unirse a la enzima, la atrapan en una etapa transitoria del ciclo catalítico, impidiendo la recombinación del segmento G. Esto provoca la acumulación de roturas de doble cadena , el bloqueo de las horquillas de replicación y la muerte celular. Las bacterias resistentes a las quinolonas suelen presentar topoisomerasas mutadas que les confieren resistencia a la unión de estas.

La subunidad A se inactiva selectivamente mediante antibióticos como los ácidos oxolínico y nalidíxico. La subunidad B se inactiva selectivamente mediante antibióticos como la coumermicina A1 _y la novobiocina. La inhibición de cualquiera de las subunidades bloquea la actividad de supertorsión. ^{[ 16 ]}

Los genes 39, 52 y 60 del fago T4 codifican proteínas que forman una ADN girasa empleada en la replicación del ADN del fago durante la infección de la bacteria huésped E. coli . ^{[ 17 ]} La proteína del gen 52 del fago comparte homología con la subunidad gyrA de la girasa bacteriana ^{[ 18 ]} y la proteína del gen 39 del fago comparte homología con la subunidad gyrB. ^{[ 19 ]} Dado que la ADN girasa del huésped E. coli puede compensar parcialmente la pérdida de los productos génicos del fago, los mutantes defectuosos en cualquiera de los genes 39, 52 o 60 no eliminan por completo la replicación del ADN del fago, sino que retrasan su inicio. ^{[ 17 ]} Los mutantes defectuosos en los genes 39, 52 o 60 muestran una mayor recombinación genética , así como una mayor mutación por sustitución de bases y deleción , lo que sugiere que la síntesis de ADN compensada por el huésped es menos precisa que la dirigida por el fago de tipo silvestre. ^{[ 20 ]} Un mutante defectuoso en el gen 39 también muestra una mayor sensibilidad a la inactivación por irradiación ultravioleta durante la etapa de infección por fagos después del inicio de la replicación del ADN cuando hay múltiples copias del cromosoma del fago presentes. ^{[ 21 ]}

• Motivo de ARN GyrA

• PDBe-KB P0AES4 : una descripción general de toda la información estructural disponible en el PDB para la subunidad A de la ADN girasa de Escherichia coli.
• PDBe-KB P0A2I3 : una descripción general de toda la información estructural disponible en el PDB para la subunidad B de la ADN girasa de Salmonella enterica.