臺大學術卓越系列報導─醫學院詹迺立教授團隊提出第二型拓樸異構酶之DNA搬運機制發表於“Nature Communications”

醫學院生物化學暨分子生物學研究所詹迺立教授所帶領的研究團隊日前發表一篇學術論文，其利用X-ray晶體學技術、首度解析出第二型拓樸異構酶之DNA閘門區域處於開啟狀態之構型，並結合電腦模擬，合理解釋此酵素搬運DNA之分子機制，此研究結果也提供了設計新一代抗癌藥物及抗生素的新方向。該論文於今年8月6日刊登於國際知名期刊「自然通訊」(Nature Communications)。

第二型拓樸異構酶(Top2)是一類普遍存在於古生菌、細菌及真核生物中的重要酵素。此酵素可以利用高能分子腺苷三磷酸(ATP)的化學能量所帶動的蛋白構型變化來改變兩條雙股DNA的交會方式。

透過其獨特的酵素活性，Top2可以操控DNA拓樸構型並移除細胞中可能阻礙DNA運作的結構(包括超螺旋、扭結或套鎖)，使DNA代謝作用得以順利進行。

在作用機制上，這類具有二維對稱構型的酵素首先會與一條稱為G-segment的雙股DNA結合，接著兩個具備催化轉酯反應能力的酵素活性中心會以酪胺酸作為親核基攻擊G-segment DNA磷酸雙酯骨架，並與5′端的磷酸根形成共價的磷酸酪胺基鍵(phosphotyrosyl bond)，造成暫時性的DNA雙股斷裂。

再透過ATP分子結合與水解所誘發的酵素四級構型變化促使另一條被稱為T-segment的雙股DNA通過由蛋白與G-segment共同形成的DNA閘門(DNA-gate)以達成DNA拓樸構型的改變。

然而，儘管DNA-gate的形成及開闔方式對於Top2是否可以順利完成其DNA搬運的功能扮演極為重要的關鍵角色，過去對此區域的結構研究僅侷限於關閉構型。

在本研究中，第一作者博士生陳星甫利用X-射線晶體學成功解析了第一個以開啟狀態呈現的DNA-gate結構。

透過對此新構型的分析，詹教授團隊闡明了過去因為缺乏相關結構資訊而尚未解決的問題，包括: Top2 是如何開啟其DNA-gate區域？ 與酵素共價連接的DNA ends在DNA-gate開啟後會產生何種構型變化？ 以及預期會讓T-segment穿越的通道在DNA-gate開啟後會呈現出什麼樣的結構特性？ 除了這些議題，該團隊也從T-segment通道的走向了解到第二型拓樸異構酶為何對於正超螺旋DNA有較好的催化效果。

由於此構型係對應至T-segment穿越缺口的早期型態，詹迺立教授實驗室也與加州大學聖地牙哥Michael K. Gilson實驗室以及中研院應科中心林榮信教授合作，由第二作者黃南嵐博士透過電腦的計算，成功模擬出Top2可能會以類似ABC transporter運輸小分子的形變方式(rocker-switch-type movement)協助T-segment DNA穿越DNA-gate。

鑒於Top2是臨床許多抗生素與抗癌小分子的標靶，詹迺立教授認為此新構型可以做為發展新式Top2標的藥物的平臺，有機會解決目前難以克服關於抗藥性的問題。

參考網站:https://www.nature.com/articles/s41467-018-05406-y

Structural insights into the gating of DNA passage by the topoisomerase II DNA-gate.

Shin-Fu Chen, Nan-Lan Huang, Jung-Hsin Lin, Chyuan-Chuan Wu, Ying-Ren Wang, Yu-Jen Yu, Michael K. Gilson & Nei-Li Chan