T-even型噬菌体是一种毒性很强的噬菌体，通常被用作模式生物，在理解各种生物过程中起着至关重要的作用。其中一个过程涉及宿主感染噬菌体复制过程中DNA拓扑结构的调节，由IIA型DNA拓扑异构酶控制。尽管对原核和真核生物的拓扑异构酶进行了各种各样的研究，但对病毒拓扑异构酶II的了解仍然不够充分，特别是对T4噬菌体的独特结构域组成。
2024年10月8日，中国科学院陈瑜涛、李雪梅、饶子和共同通讯在Nature Communications 在线发表题为“Structural and functional insights into the T-even type bacteriophage topoisomerase II”的研究论文，该研究从T4和T6噬菌体中测定了拓扑异构酶II的冷冻电镜结构，包括以前从未测定过的载脂蛋白和DNA结合状态的全长结构。
IIA型DNA拓扑异构酶在原核生物、真核生物和病毒的生命周期中起着关键作用，在DNA复制、转录、重组和染色体凝聚等多种生物过程中，通过诱导DNA的瞬时双链断裂(DSBs)，促进DNA拓扑结构的调控。原核生物和真核生物中IIA型DNA拓扑异构酶的结构和功能特征自被发现以来，在以往的研究中得到了广泛的研究。IIA型DNA拓扑异构酶结构的一个显著特征是存在两个高度保守的结构域，这两个结构域与它们的催化功能是不可缺少的：(1)ATP酶结构域，通常作为同型二聚体，对于ATP和二价金属离子(通常是Mg2+)的结合是必不可少的，为酶内的构象变化提供所需的能量。(2) DNA结合/切割结构域(也称为中心结构域，组织为同型二聚体)，具有结合和切割双链DNA (dsDNA)的能力，称为G段，然后产生短暂的DNA断裂，允许另一个DNA双链的通过，称为T段DNA。通过协调这些结构域，IIA型DNA拓扑异构酶重新连接断裂的DNA链，从而在不破坏基因组完整性的情况下改变DNA超螺旋的程度。
在IIA型拓扑异构酶的典型机制中，G段DNA双链的两条链在二价金属离子(通常为Mg2+)和ATP的存在下同时断裂。然而，来自真核生物Topo II在缺乏ATP的情况下的切割实验证据表明，单链缺口质粒DNA产物支持异步G段DNA切割的另一种机制。但到目前为止，结构研究尚未支持这一机制，也没有确定这种天然单链缺口DNA-Topo II复合物结构。最近，几个研究小组报道了病毒编码的拓扑异构酶II(非洲猪瘟病毒拓扑异构酶II)的各种构象的结构。该酶类似于人类拓扑异构酶II，具有交换结构域的同二聚体结构，但缺乏额外的C端结构域，这表明拓扑异构酶II的形式更原始。然而，其他病毒(如噬菌体)编码的拓扑异构酶II的结构和机制仍然有限，特别是考虑到T4噬菌体拓扑异构酶II的独特结构域组成(三个亚基，缺乏CTD)。研究探讨了噬菌体T4和T6(以下简称T4 Topo II和T6 Topo II)编码的拓扑异构酶II的结构和功能特征，并探讨了它们在相应的T-even型噬菌体中的潜在作用。
噬菌体作为一种重要的模式生物，代表了一类依赖于细菌宿主进行繁殖的独特病毒。大肠杆菌感染噬菌体主要有7种，3种偶数T噬菌体(如T2、T4和T6)和4种奇数T噬菌体(如T1、T3、T5、T7)。在这些噬菌体中，T-even型噬菌体是强毒噬菌体的好例子，它们通过细胞裂解导致宿主破裂，并编码自己的拓扑异构酶II。这些T-even型噬菌体在结构、抗原反应和遗传学上相似，dsDNA基因组相对较大，超过160 kbp，包含约300个开放阅读框。大基因组的特征是通过链侵入重组和糖基化羟甲基胞嘧啶(HMC) DNA复制的环状排列的线性串联体，这对其基因组的高表达和复制至关重要。它自己的编码Topo II可能在DNA复制过程中解决结或超级线圈方面起着重要作用。在T4噬菌体的情况下，一个显著的特点是它编码由三个亚基(gp39, gp60和gp52)组成的Topo II，是已知的具有三聚体亚基组成的Topo II的唯一实例。相比之下，T2和T6噬菌体的Topo II只有两个亚基(gp39和gp52)，这可能是由自然发生的“基因融合”或“基因分离”事件造成的。明确的结构和功能研究将增强我们对这些进化联系的理解。
研究确定了T4和T6 Topo II在存在和不存在dsDNA的情况下的晶体和冷冻电镜结构，特别是结构更完整和构象更多样的T6 Topo II。IIA型拓扑异构酶的ATP酶结构域的第一个冷冻电镜结构显示出独特的二聚体构象，与晶体结构不同，表明可能存在异步ATP水解。值得注意的是，与DNA结合的T6 Topo II中心结构域的高分辨率结构为与DNA的不对称二聚体相互作用提供了证据，表明了异步DNA切割的另一种机制，这种机制已在原核和真核Topo II中被假设，但尚未在病毒中发现。这些结构与深入的酶分析一起，为IIA型拓扑异构酶的巧妙机制、构象变化和进化模式提供了全面的见解。
论文链接: https://www.nature.com/articles/s41467-024-53037-3
本文转载自公众号“iNature”
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