Tôpôizômêraza

Bách khoa toàn thư mở Wikipedia
Buớc tưới chuyển hướng Bước tới tìm kiếm
Hình 1: Tôpôizômêraza (màu xanh) đang tháo xoắn ADN (chuỗi xoắn kép).

Tôpôizômêraza là tên của enzym có khả năng đóng xoắn hoặc tháo xoắn phân tử ADN và cả nhiễm sắc thể.[1], [2], [3]

Tên gọi này bắt nguồn từ tiếng Anh topoisomerase (phát âm IPA – Quốc tế: /ˌtɒpəʊˌaɪˈsɒməˌɹeɪs/, tiếng Việt: tô-pô-i-zô-mê-ra-zơ"); trong đó topo (tôpô) là thuật ngữ chỉ kiểu cấu trúc xoắn nhiều cấp của ADN siêu xoắn, isomer (izômê) là thuật ngữ Sinh hoá chỉ "đồng phân", còn hậu tố -aza để chỉ chức năng enzym của hợp chất theo cách phiên âm quen thuộc dùng trong Sinh học phổ thông.[4], [5]

Lược sử phát hiện[sửa | sửa mã nguồn]

Vào những năm đầu thập niên 1970, khi nghiên cứu về trực khuẩn lị E. coli, giáo sư James C. Wang đã phát hiện ra enzym này và gọi nó là "nhà ảo thuật trong thế giới phân tử".[6] Lúc đó, Wang đang công tác tại Viện Công nghệ CaliforniaBerkeley, nghiên cứu một số chế phẩm từ ADN, sau khi tiến hành sắc ký, ông cô lập được loại enzym có khả năng gỡ bỏ siêu xoắn (supercoiling) ADN và đặt tên nó là ω protein (prôtêin ômêga). Ông gửi kết quả cho một tạp chí khoa học, nhưng ban biên tập chưa ai tin vào "nhà ảo thuật" này, mãi sau mới công bố (1971, Published by Elsevier Ltd.).[7]

Sau đó, năm 1976, một loại enzym tương tự (DNA topoisomerase) nữa được phát hiện trong Escherichia coli, rồi các nhà khoa học khác cũng tìm ra ngày càng nhiều loại enzym khác có chức năng tương tự và khả năng "ảo thuật" của chúng.

Ý nghĩa chính[sửa | sửa mã nguồn]

  • Sự đóng xoắn của ADN sinh ra do tính chất cuộn xoắn tự nhiên của cấu trúc xoắn kép của nó. Còn sự đóng xoắn nhiễm sắc thể ở cả nhân sơ và nhân thực vừa là trạng thái tự nhiên, lại vừa rất cần thiết để lưu giữ, bảo quản và vận chuyển thông tin di truyền ở ADN mà nó chứa.[8] Tuy nhiên, trong quá trình nhân đôi của ADN cũng như của nhiễm sắc thể, trong quá trình phiên mã (tổng hợp ARN) hoặc tái tổ hợp..., thì chính trạng thái xoắn lại cản trở những quá trình này. Nếu ADN cũng như nhiễm sắc thể không ở trạng thái giãn xoắn tối đa, thì các quá trình nhân đôi ADN, tái tổ hợp gen v.v không xảy ra được. Điều này cũng giống như tế bào mẹ gửi cho con một "bức thư di truyền" đã được cuộn và gói lại (để bảo quản và dễ vận chuyển), mà con không mở ra được thì không thể đọc được thư viết gì! Hình 2 mô tả sơ lược trạng thái siêu xoắn và dãn xoắn của ADN trong NST nhân thực.
  • Ngược lại, nếu ADN và nhiễm sắc thể đã giãn xoắn tối đa để nhân đôi, phiên mã... tiến hành xong, mà không được đóng xoắn trở lại, thì thông tin di truyền sẽ khó được lưu giữ, bảo quản tốt và vận chuyển cho đời sau rất khó khăn. Chẳng hạn, hơn 6 tỉ cặp bazơ của ADN trong một tế bào người mà "nối đuôi" nhau sẽ thành một sợi dài 2 mét, trong khi tế bào chứa nó chỉ có đường kính nhỏ hơn vài triệu lần (hình 2).
  • Chính tôpôizômêraza đã làm nhiệm vụ "đóng gói" và "mở thư" này, rồi lại "đóng gói" để gửi thông tin di truyền cho đời con qua phân bào. Nhiệm vụ này thể hiện ở nhiều chức năng của các loại tôpôizômêraza khác nhau như sau:

- Gỡ bỏ trạng thái xoắn nhiều cấp (supercoils) của ADN siêu xoắn, tạo điều kiện cho hệ enzym nhân đôi và phiên mã hoạt động, cũng như quá trình tái tổ hợp gen có thể xảy ra.

- Gỡ bỏ trạng thái đóng xoắn của nhiễm sắc thể, từ đó ADN mới có thể nhân đôi và phiên mã; đồng thời mới tách các nhiễm sắc thể chị em.

- Ngược lại, chức năng đóng xoắn của enzym góp phần quan trọng cho lưu giữ, bảo quản và vận chuyển thông tin di truyền.[9]

Vai trò chức năng[sửa | sửa mã nguồn]

  • Tôpôizômêraza gỡ bỏ trạng thái siêu xoắn của nhiễm sắc thể, tạo điều kiện cho các enzym "truy cập" ADN (hình 3).
  • Tôpôizômêraza gỡ bỏ trạng thái siêu xoắn (supercoils) của ADN, tạo điều kiện cho các enzym cùng phối hợp trong quá trình nhân đôi, phiên mã ADN (hình 4). Trong hình 4 mô tả ADN chỉ nhân đôi (tự tái bản) được khi tôpôizômêraza tháo siêu xoắn của nó, sau đó hêlicaza mới dãn xoắn và tách mạch được, từ đó các enzym ADN pôlymêraza mới xúc tác "lắp ghép" các bazơ vào hai mạch khuôn của ADN "mẹ".
  • Đóng xoắn nhiễm sắc thể bằng cách "cô đặc" sợi nhiễm sắc, trong đó gyraza II đóng vai trò như một động cơ phân tử, sử dụng năng lượng thu được từ thủy phân ATP để tạo ADN siêu xoắn, từ đó tạo xoắn nhiễm sắc thể. Quá trình này cần được phối hợp và điều chỉnh nhờ nhiều loại enzym khác liên quan đến chu trình tế bào (như p53, TopBP1, 14-3-3 epsilon và Cdc2) để đảm bảo đóng xoắn nhiễm sắc thể xảy ra vào đúng thời điểm nhất định trong chu kỳ tế bào.
  • Tôpôizômêraza phân tách ADN chị em trong quá trình giảm phân, chủ yếu nhờ tôpôizômêraza IV hoạt động tháo gỡ các sợi dính nhau.
  • Tôpôizômêraza góp phần phá vỡ sợi kép (Strand Breakage) trong quá trình tái tổ hợp, nhờ đó các đoạn ADN trên cặp nhiễm sắc thể tương đồng trao đổi chéo tương hỗ cho nhau, gây ra gen hoán vị. Chức năng này chủ yếu do tôpôizômêraza III.[6]

Phân loại[sửa | sửa mã nguồn]

Tôpôizômêraza ADN là nhóm enzym phổ biến nhất đã được phát hiện trong tất cả các vật thể sống từ virut đến con người. Các enzyme này hoạt động để điều chỉnh mức xoắn cuộn của ADN siêu xoắn bằng cách xúc tác cuộn hoặc tháo sợi ADN. Chúng thực hiện chức năng này bằng cách cắt liên kết phôtphođieste (xương sống của ADN) giống như nuclêaza, vì vậy chúng gỡ bỏ xoắn cuộn của ADN, sau đó lại làm "ảo thuật" nối lại. Các enzym tôpôizômêraza ADN được chia thành hai nhóm lớn gọi là lớp (class) dựa trên chức năng chính của từng loại.[10], [11]

Lớp tôpôizômêraza ADN I[sửa | sửa mã nguồn]

  • Đặc điểm chính:

· Tháo xoắn một sợi của chưới xoắn kép ADN.

· Gồm 3 nhóm: tôpôizômêraza I, III và V.

· Không phụ thuộc ATP (ngoại trừ enzym gyraza ngược).

· Chủ yếu có chức năng dãn xoắn.

· Hoạt động có liên quan đến cắt, xoay và nối hoặc đóng sợi đơn bị đứt.

· Trong nhân đôi ADN và phiên mã, thì tôpôizômêraza I là chính, trong tái tổ hợp thì tôpôizômêraza III quyết định.

  • Các lớp phụ (subclasses):

1) Kiểu enzym A1 (IA enzyme) gồm:

· tôpôizômêraza vi khuẩn I,

· tôpôizômêraza III,

· gyraza ngược.

2) Kiểu enzym B1 (IB enzyme):

· tôpôizômêraza ở nhân thực và ở virut kí sinh nhân thực,

· tôpôizômêraza V ở vi khuẩn cổ (Archaea).

Lớp tôpôizômêraza ADN II[sửa | sửa mã nguồn]

  • Đặc điểm chính:

· Tác động lên cả hai sợi của chuỗi xoắn kép ADN.

· Gồm 3 nhóm: tôpôizômêrazas II (gyraza), IV và VI.

· Phụ thuộc ATP.

· Cơ chế hoạt động liên quan tháo xoắn và cả đóng xoắn một sợi ADN nguyên vẹn, sau đó đến cả hai sợi.

· Tôpôizômêraza II đóng một vai trò quan trọng trong đóng xoắn sợi nhiễm sắc (chromatine), từ đó nhiễm sắc tử (chromatide) hình thành.

· Tôpôizômêraza IV giữ vai trò phân tách cặp nhiễm sắc thể chị em trong giảm phân.

  • Các lớp phụ:

1) Kiểu enzym A2 (IIA enzyme):

· tôpôizômêraza vi rút nhân thực.

· gyrazae (vi khuẩn tôpôizômêraza II)

· tôpôizômêraza IV.

2) Kiểu enzym B2 (IIB enzyme) là tôpôizômêraza VI ở vi khuẩn cổ.

Nguồn trích dẫn[sửa | sửa mã nguồn]