В различных организмах идентифицированы топоизомеразы двух основных типов. Одни ферменты, называемые топоизомеразами типа I, уменьшают число сверхвитков в ДНК на единицу за один акт. Эти топоизомеразы надрезают одну из двух цепей, в результате чего фланкирующие дуплексные области могут повернуться вокруг интактной цепи, и затем воссоединяют концы разрезанной цепи. Эта реакция не требует энергии АТР, поскольку энергия фосфодиэфирной связи сохраняется благодаря тому, что тирозиновый остаток в молекуле фермента выступает то в роли акцептора, то в роли донора фосфорильного конца разрезанной цепи. Одиночная цепь спонтанно проходит через разрез. Отмечены два интересных, но, возможно, не связанных друг с другом различия между топоизомеразами типа I про - и эукариот:

1) топо-изомеразы типа I прокариот взаимодействуют с 5'-фосфорильным концом разорванной цепи, а эу-кариот - с 3'-фосфорильным концом;

2) топоизомеразы прокариот устраняют только отрицательные сверхвитки, а эукариотические - как отрицательные, так и положительные.

Топоизомеразы типа II устраняют как отрицательные, так и положительные сверхвитки. В отличие от ферментов типа I топоизомеразы типа II вносят временные разрывы в обе комплементарные цепи, пропускают двухцепочечный сегмент той же самой или другой молекулы ДНК через разрыв, а затем соединяют разорванные концы. Топоизомеразы типа II тоже используют тирозиновые остатки для связывания 5'-конца каждой разорванной цепи в то время, когда другой дуплекс проходит через место разрыва.

В результате внесения двухцепочечного разрыва и прохождения через него другого дуплекса за один акт снимаются два отрицательных или положительных сверхвитка. В некоторых случаях дуплексом, проходящим через место разрыва, оказывается другая замкнутая молекула ДНК; это приводит к разделению сцепленных кольцевых ДНК или, напротив, к образованию таких сцепленных комплексов. Этот механизм может использоваться и для распутывания или запутывания клубков, а также для раскручивания или конденсации крупных дуплексных ДНК.

Топоизомеразы типов I и II снимают сверхвитки, образующиеся при репликации кольцевой ДНК.

Однако существует особая топоизомераза II, называемая гиразой и обнаруженная пока только у бактерий, которая индуцирует образование отрицательных сверхвитков в релаксированных кольцевых ДНК. Для этого гираза делает двухцепочечные надрезы и затем особым способом воссоединяет концы. Итак, гираза снимает положительные сверхвитки и вносит отрицательные в релаксированную ДНК. Сбалансированное действие топоизомеразы I и гиразы - по крайней мере у бактерий - по-видимому, регулирует степень сверхспиральности ДНК и таким образом влияет на скорость движения репликативной вилки.

Механизм, с помощью которого гираза катализирует образование отрицательных сверхвитков в кольцевой или другой ДНК с топологическими ограничениями, до конца не установлен. Гираза Е. coli представляет собой тетрамер, состоящий из субъединиц двух типов, при этом а-субъединицы содержат сайты ковалентного связывания концов молекулы ДНК. Гираза катализирует образование отрицательных сверхвитков, создавая сначала положительные сверхвитки в определенных областях ДНК, связанных с ферментом.

Ориентация двух спиральных сегментов в этих областях меняется на противоположную при протягивании одного сегмента через "ворота", образовавшиеся в результате двухцепочечного разрыва в другом.

В конце концов образуются два сверхвитка за один каталитический цикл. Для реализации всех этих процессов необходима энергия гидролиза АТР, поскольку релаксированная кольцевая ДНК должна быть переведена на более высокий энергетический уровень, характерный для сверхспиральной конформации.

ж. Инициация образования новых цепей ДНК и их рост в репликативных вилках

Инициация образования новых цепей ДНК. В отличие от РНК, синтез которой инициируется РНК-репликазами и РНК-полимеразами, для инициации синтеза ДНК требуется затравка. Сначала синтезируются короткие РНК-праймеры, которые затем наращиваются в виде цепей ДНК. При переводе кольцевой одно-цепочечной ДНК фага М13 в двухцепочечную репликативную форму для синтеза коротких сегментов РНК в точке начала репликации используется РНК-полимераза-холофермент. При репликации других одноцепочечных кольцевых фаговых ДНК РНК-праймер синтезируется специальной РНК-полимеразой, называемой праймазой. У другого фага с одноцепочечной кольцевой ДНК мультиферментный комплекс, содержащий от 15 до 20 полипептидных цепей, активирует матричную цепь, в результате чего праймаза синтезирует РНК-затравку. Праймосомопраймазный способ инициации применяется и для инициации синтеза ведущей цепи в точке начала репликации у Е. coli, а также при образовании фрагментов Оказаки при синтезе отстающей цепи.

По-видимому, синтез цепей ДНК инициируется сходным образом у про - и эукариот, в случае плазмид и вирусов. Различия могут касаться типов полимераз, синтезирующих РНК-затравки, вспомогательных белков, обеспечивающих инициацию РНК-транскриптов, и либо нуклеотидных последовательностей per se, либо структурных особенностей, определяющих положение точки начала транскрипции. Длина РНК-праймеров варьирует в зависимости от особенностей инициации. У бактериофага фХ174 и Е. coli праймаза катализирует синтез РНК-праймеров длиной от двух до пяти нуклеотидов, а при репликации ДНК эукариот праймерные РНК приблизительно в два раза длиннее. У бактериофагов М13 и G4 синтез РНК-затравок катализируют РНК-полимераза и G4-праймаза соответственно; длина этих затравок колеблется от 20 до 30 нуклеотидов, и они комплементарны сегментам фаговых ДНК, образующим петли. Точная природа сигналов, определяющих сайты синтеза праймерной РНК для инициации репликации или для синтеза отстающей цепи, неизвестна.

Репликация плазмидной ДНК Col E1 также начинается с транскрипции РНК. Однако в этом случае синтез праймерной РНК инициируется РНК-полимеразой в сайте, отстоящем на 555 пар оснований от точки начала репликации плазмидной ДНК. Транскрипция проходит точку начала репликации, при этом синтезируется цепь РНК длиной 500-600 нуклеотидов. Затем РНКаза-Н расщепляет большую часть цепи РНК. Остающийся 3'-конец РНК служит затравкой при синтезе цепи ДНК с помощью Pol I-полимеразы. Эта цепь становится ведущей при репликации всей плазмидной ДНК.

У аденовирусов человека синтез новых цепей ДНК инициируется неким белком, а не РНК. Аденовирус типа 2 содержит белок с мол. массой 55 кДа, ковалентно связанный с 5'-фос-фатом каждой цепи ДНК. Первый этап инициации синтеза новых цепей состоит в том, что кодируемый вирусом белок мол. массой 80 кДа связывается с дезоксинуклеозидтрифосфатом, соответствующим первому дезоксинуклеотидному остатку в ДНК, с образованием комплекса белок-dCMP. 3'-гидроксильная группа связанного с белком дезоксицитидинового остатка служит праймером для удлинения цепей ДНК с использованием комплементарной цепи ДНК в качестве матрицы. В конечном счете вирусный 80 кДа-белок отщепляется и с новосинтезированной вирусной ДНК остается связанным только терминальный белок мол. массой 55 кДа. Аналогичный механизм инициации синтеза ДНК используется и другими аденовирусами и некоторыми бактериофагами.