Topoisomerase

Topoisomerase (/ˌtɒpəʊˌaɪˈsɒməˌɹeɪs/) là tên của một nhóm enzym có khả năng thay đổi cấu trúc siêu xoắn của phân tử DNA, từ đó có thể thay đổi cấu trúc của nhiễm sắc thể.. Trong danh pháp, topo là thuật ngữ chỉ kiểu cấu trúc xoắn nhiều cấp của DNA siêu xoắn, isomer là thuật ngữ Sinh hoá chỉ "đồng phân", còn hậu tố -ase để chỉ chức năng enzym của hợp chất theo cách phiên âm quen thuộc dùng trong Sinh học phổ thông.
Lược sử phát hiện.
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". Lúc đó, Wang đang công tác tại Viện Công nghệ California ở Berkeley. Ở đây, khi nghiên cứu một số chế phẩm từ DNA, sau khi tiến hành sắc ký, ông cô lập được một loại enzym có khả năng gỡ bỏ siêu xoắn (supercoiling) DNA và đặt tên nó là ω protein. 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.).
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.
- Gỡ bỏ trạng thái xoắn nhiều cấp (supercoils) của DNA 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 DNA 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.
Phân loại.
Topoisomerase DNA là nhóm enzym phổ biến nhất đã được phát hiện trong tất cả các vật thể sống từ virus đến con người. Các enzyme này hoạt động để điều chỉnh mức xoắn cuộn của DNA siêu xoắn bằng cách xúc tác cuộn hoặc tháo sợi DNA. Chúng thực hiện chức năng này bằng cách cắt liên kết phosphodiester (xương sống của DNA) giống như nuclease, vì vậy chúng gỡ bỏ xoắn cuộn của DNA, sau đó lại làm "ảo thuật" nối lại. Các enzym topoisomerase DNA được chia thành hai phân nhóm lớn gọi là lớp (class) dựa trên chức năng chính của từng loại., 
Lớp topoisomerase DNA I.
· Tháo xoắn một sợi của chưới xoắn kép DNA.
· Gồm 3 loại: topoisomerase I, III và V.
· Không phụ thuộc ATP (ngoại trừ enzym gyrase 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 DNA và phiên mã, thì topoisomerase I là chính, trong tái tổ hợp thì topoisomerase III đóng vai trò quyết định.
1) Kiểu enzym A1 (IA enzyme) gồm:
· topoisomerase vi khuẩn I;
· topoisomerase III, tương đối gần đây, đã phát hiện được topoisomerase III α và topoisomerase III β ở vi khuẩn.
· gyrase ngược.
2) Kiểu enzym B1 (IB enzyme):
· topoisomerase ở nhân thực và ở virus kí sinh nhân thực,
· topoisomerase V ở vi khuẩn cổ (Archaea).
Lớp topoisomerase DNA II.
· Tác động lên cả hai sợi của chuỗi xoắn kép DNA.
· Gồm 3 nhóm: topoisomerases II (gyrase), IV và VI.
· Phụ thuộc ATP.
· Cơ chế hoạt động liên quan tháo xoắn và cả đóng xoắn một sợi DNA nguyên vẹn, sau đó đến cả hai sợi.
· Topoisomerase II đóng một vai trò quan trọng trong đóng xoắn sợi nhiễm sắc (chromatine), từ đó nhiễm sắc tử (chromatide) hình thành.
· Topoisomerase IV giữ vai trò phân tách cặp nhiễm sắc thể chị em trong giảm phân.
1) Kiểu enzym A2 (IIA enzyme):
· topoisomerase vi rút nhân thực.
· gyrasee (vi khuẩn topoisomerase II)
· topoisomerase IV.
2) Kiểu enzym B2 (IIB enzyme) là topoisomerase VI ở vi khuẩn cổ.