Girasa inversa

La girasa inversa es una topoisomerasa de tipo I que introduce superenrollamientos positivos en el ADN, ^{[ 1 ]} a diferencia de los superenrollamientos negativos típicos introducidos por la topoisomerasa de tipo II, la ADN girasa . Estos superenrollamientos positivos pueden introducirse en el ADN que está superenrollado negativamente o completamente relajado. ^{[ 2 ]} Mientras que la ADN girasa forma un tetrámero y es capaz de cortar una región de doble cadena de ADN, la girasa inversa solo puede cortar ADN de cadena simple. ^{[ 3 ] [ 4 ]} Más específicamente, la girasa inversa es un miembro de la clase de topoisomerasas de tipo IA; además de la capacidad de relajar el ADN superenrollado negativa o positivamente ^{[ 5 ]} (que no requiere ATP ^{[ 6 ] [ 7 ]} ), las enzimas de tipo IA también tienden a tener actividades de ARN-topoisomerasa. Estas topoisomerasas de ARN ayudan a evitar que las cadenas de ARN más largas se enreden formando lo que se conoce como "pseudonudos". Debido a su capacidad para interactuar con el ARN, se cree que esta es una de las clases de enzimas más antiguas descubiertas hasta la fecha. ^{[ 4 ]}

La girasa inversa es una topoisomerasa dependiente de ATP ^{[ 8 ]} en términos de su actividad de superenrollamiento positivo; sin embargo, también puede relajar las hebras de ADN sin introducir superenrollamientos positivos mediante la interacción con ADP ^{[ 9 ]} . La estructura de la enzima incluye un dominio helicasa , responsable de la separación de los ácidos nucleicos, y un dominio topoisomerasa , responsable de la introducción de espirales en el ADN. No obstante, estudios mecanísticos han demostrado que estos dos dominios tienden a exhibir actividades débiles por separado y solo pueden realizar una actividad de superenrollamiento positivo del ADN eficiente cuando trabajan en conjunto ^{[10, 11 ] . Otros estudios también} han demostrado que las enzimas girasa inversa tienden a atacar preferentemente regiones de ADN monocatenario en comparación con el ADN bicatenario, lo que sugiere que la función biológica crítica de esta enzima es asegurar la renaturalización constante de las hebras de ADN desenrolladas, especialmente en organismos que crecen a altas temperaturas ^{[ 8 ] .}

Esta enzima ha sido ampliamente caracterizada en varias arqueas , siendo la girasa inversa de Sulfolobus acidocaldarius una de las primeras en ser caracterizada. ^{[ 12 ]} Además, se ha descubierto que todas las bacterias y arqueas termófilas contienen al menos una enzima girasa inversa. Algunos organismos, como los miembros del filo Crenarchaeota, incluso tienen dos enzimas girasa inversa: TopR1, que tiende a ser activa a temperaturas elevadas, y TopR2, que muestra actividad tanto a bajas como a altas temperaturas. ^{[ 4 ]} Otros organismos excepcionales incluyen Nanoarchaeum equitans , cuya enzima girasa inversa tiende a existir naturalmente como dos péptidos separados en lugar del polipéptido monomérico típico con un dominio de topoisomerasa IA y un dominio de helicasa. ^{[ 4 ] [ 11 ]}

Como se observa en el recuadro informativo anterior, la girasa inversa se designa con el número EC 5.6.2.2. El primer dígito de este código (5) indica que la enzima es una isomerasa. ^{[ 13 ]} Si bien la enzima posee un dominio similar a una topoisomerasa y a una helicasa, como girasa, se clasifica principalmente dentro del grupo de las topoisomerasas. Además, el número 5.6 indica que esta molécula es una isomerasa capaz de modificar la conformación de las moléculas celulares. ^{[ 14 ]} El código 5.6.2 indica que la enzima también es capaz de alterar la conformación de los ácidos nucleicos o ADN. ^{[ 15 ]} Por último, la designación completa 5.6.2.2 caracteriza a esta enzima como una topoisomerasa de ADN dependiente de ATP. ^{[ 16 ]}

La estructura cristalina de la girasa inversa ha sido caracterizada completamente, y se ha producido una estructura cristalina basada en la enzima encontrada en Thermotoga maritima . ^{[ 12 ]}

Los organismos que viven en condiciones estándar de temperatura y presión , o mesófilos (que viven en rangos de temperatura entre 20 ° C y 40 ° C ), tienden a tener superenrollamiento negativo en sus cadenas de ADN. Esto ayuda a condensar el material genético para que quepa dentro de las células huésped (o, en el caso de los eucariotas , dentro de la región nuclear de la célula). El superenrollamiento negativo, también conocido como subenrollamiento, produce una torsión en sentido contrario a las agujas del reloj de la cadena de ADN. El superenrollamiento negativo deja las cadenas de ADN disponibles para diversos procesos celulares, como la replicación del genoma y la transcripción, ya que el ADN normalmente necesita estar subenrollado para desnaturalizarse y ser accesible por las enzimas adecuadas. ^{[ 2 ]}  

Por otro lado, se cree que los termófilos (organismos que pueden vivir en temperaturas que van desde los 40 ° C hasta los 122 ° C ^{[ 18 ]} ) mantienen varios superenrollamientos positivos en su ADN para ayudar a mantener la integridad estructural del ADN bajo la acción desnaturalizante de estas altas temperaturas. El superenrollamiento positivo, también conocido como sobreenrollamiento, produce una torsión en sentido horario de la cadena. Como se descubrió anteriormente, uno de los mayores beneficios de mantener superenrollamientos positivos en las cadenas de ADN es prevenir la separación de las cadenas a altas temperaturas. ^{[ 2 ]}  

Si bien el superenrollamiento positivo es ciertamente más común en termófilos, también se ha encontrado en organismos mesófilos. Por ejemplo, tanto los telómeros como las condensinas pueden utilizar el superenrollamiento positivo para contribuir a la estructura cromosómica. ^{[ 19 ]} Además, la enzima girasa inversa no es exclusiva de los termófilos. Algunas girasas inversas incluso funcionan fuera de los rangos de temperatura termófila, lo que sugiere que puede haber algunos organismos a temperaturas mesófilas que utilicen esta enzima. ^{[ 4 ]}

Mecanismo de superenrollamiento

Se sospecha que los dominios de helicasa y topoisomerasa de la enzima girasa inversa trabajan conjuntamente para promover el superenrollamiento positivo del ADN. Sin embargo, los mecanismos de acción exactos parecen diferir entre organismos. Por ejemplo, Sulfolobus solfataricus y Thermotoga maritima experimentan fenómenos opuestos en cuanto a la actividad de la helicasa: la capacidad de la helicasa de Sulfolobus solfataricus para hidrolizar ATP parece activarse mediante la topoisomerasa, mientras que la capacidad de hidrólisis de ATP de Thermotoga maritima a través de la helicasa parece reducirse por el dominio de la topoisomerasa. ^{[ 12 ]}

Cuando se une al ADN, la girasa inversa induce un cambio en la estructura a través de un enrollamiento levógiro, que funciona más o menos como un desenrollamiento. ^{[ 20 ]} Específicamente, la girasa inversa encontrada en S. solfataricus (una girasa inversa TopR2 de Crenarchaeota) inicia un desenrollamiento de aproximadamente 20 pares de bases al unirse a una estructura de ADN. ^{[ 4 ]} Al unirse inicialmente al ADN, el dominio helicasa está en una conformación abierta, mientras que el dominio topoisomerasa IA está en una conformación cerrada. ^{[ 5 ]} Después de la unión de ATP a la estructura de la girasa inversa, el dominio helicasa se cierra y el dominio topoisomerasa IA se abre. Esto desencadena un reenrollamiento de 10 de los 20 pares de bases en la burbuja desenrollada, y el dominio topoisomerasa IA puede introducir superenrollamiento positivo durante el paso de la hebra. ^{[ 5 ]} A medida que se produce el paso de la hebra, el dominio topoisomerasa IA de la girasa inversa puede aumentar el número de enlace (cuántas veces una hebra de ADN se enrolla alrededor de la otra) de la hebra de ADN a medida que se renaturalizan. ^{[ 9 ]} Tras el reenrollamiento inducido por la hidrólisis de ATP, los dominios enzimáticos de la girasa inversa vuelven a su estado original (dominio helicasa abierto y dominio topoisomerasa IA cerrado) y la girasa inversa se libera, lista para unirse a una nueva región de ADN y repetir el proceso. ^{[ 4 ] [ 5 ] [ 9 ]}

Independientemente de las diferencias en las interacciones entre los dominios de topoisomerasa y helicasa, en general, todas las enzimas girasa inversa experimentan cambios conformacionales cuando los nucleótidos se unen al sitio activo. ^{[ 12 ]}