综述：DNA拓扑异构酶VI：综述

《Journal of Molecular Biology》：DNA topoisomerase VI: structure, function and mechanism

这篇综述全面总结了DNA拓扑异构酶VI（topo VI）的研究进展，包括其发现、结构、机制、抑制剂及其在生命科学中的意义。文章详细阐述了topo VI作为IIB型拓扑异构酶的特点，与IIA型酶的差异，及其在植物内复制和减数分裂中的关键作用，为开发新型除草剂和抗癌药物提供了重要靶点。

　　

DNA拓扑异构酶VI的发现与分布

DNA拓扑异构酶VI（topo VI）是拓扑异构酶家族中相对较晚被识别的成员，最初在古菌中发现。与常见的IIA型拓扑异构酶（如DNA旋转酶和真核生物topo II）不同，topo VI属于IIB型，在结构和机制上均有独特之处。随后的研究表明，topo VI不仅存在于古菌中，也广泛分布于植物界，并在一些细菌中被发现。在植物中，topo VI由两个亚基组成：TOP6A和TOP6B，分别对应于古菌中的topo VIA和topo VIB。此外，植物中还存在两个辅助蛋白RHL1和BIN4，它们与topo VI的功能密切相关。值得注意的是，顶复门寄生虫（如疟原虫）似乎缺乏典型的topo VI，而是利用其同源物Spo11进行减数分裂重组。

topo VI的结构特征

拓扑异构酶通过引入DNA双链断裂并介导另一DNA片段穿过，从而改变DNA拓扑结构。II型拓扑异构酶通常以异源四聚体（A₂B₂）形式存在。topo VI与其他II型拓扑异构酶共享一些共同的结构模块，包括GHKL ATP酶结构域、转导结构域、金属结合Toprim结构域和DNA切割翼状螺旋结构域（WHD）。然而，topo VI（IIB型）与IIA型酶存在显著差异。例如，IIA型酶中的Tower结构域在IIB型中缺失，而IIA型A亚基中的Toprim结构域在IIB型中位于B亚基。此外，topo VI缺乏IIA型酶中的出口门（C gate），是一种双门酶，这意味着其ATP酶门和DNA门的开闭必须紧密耦合，以防止双链断裂的意外释放。

通过X射线晶体学和冷冻电镜研究，科学家们已经解析了来自Methanococcus jannaschii、Sulfolobus shibatae和Methanosarcina mazei等古菌的topo VI及其亚基的结构。这些结构揭示了酶的整体构象以及ATP结合和水解诱导的构象变化。例如，M. mazei topo VI的全长结构显示了一个闭合构象，而S. shibatae topo VI与radicicol复合物的结构则更为开放。这些结构为了解其机制奠定了基础，但目前仍缺乏topo VI与DNA复合物的高分辨率结构，这是未来研究的重要方向。

topo VI的作用机制

topo VI催化DNA链穿过反应的核心机制涉及一个DNA片段（T片段或转运片段）穿过另一个DNA片段（G片段或门片段）。该过程由ATP结合和水解驱动。与IIA型酶的三门机制不同，topo VI采用双门机制：ATP酶门（N门）和DNA门。ATP结合到topo VIB亚基上引发二聚化，将T片段捕获在内部空腔中，并诱导topo VIA二聚体切割G片段。随后T片段穿过DNA门，G片段重新连接。ATP水解后，ADP和无机磷酸盐（Pi）解离，topo VIB二聚体解离，酶恢复初始状态。

研究表明，topo VI对DNA底物具有偏好性。它更倾向于松弛正超螺旋DNA和解开DNA连环体，而不是松弛负超螺旋DNA。其反应速率通常比IIA型拓扑异构酶慢10-50倍。topo VI的ATP酶活性严格依赖于DNA的刺激，特别是超螺旋DNA，这体现了其催化反应与ATP水解之间的紧密耦合。另一个关键特征是，topo VI切割DNA产生2个碱基交错的断裂，而IIA型酶产生4个碱基交错的断裂。此外，topo VI不能像IIA型酶那样简化DNA拓扑结构（即产生比热力学平衡更窄的松弛拓扑异构体分布），这可能与其缺乏出口门有关。

与催化DNA拓扑结构变化的典型topo VI不同，其同源物Spo11复合物（在减数分裂中起作用）在机制上发生了分化。Spo11复合物是1:1的异源二聚体，其DNA切割活性不依赖于ATP，其主要功能是启动同源重组所需的DNA双链断裂。

topo VI的抑制剂

DNA拓扑异构酶是重要的药物靶点。虽然针对topo VI的抑制剂研究相对较少，但已发现一些化合物可以抑制其活性。Radicicol是第一个被报道的topo VI抑制剂，它通过结合topo VIB的ATP酶口袋（Bergerat折叠）来抑制ATP酶活性。然而，radicicol并非topo VI的特异性抑制剂，它也能抑制Hsp90和人类topo II。通过高通量筛选，研究人员还发现了其他潜在抑制剂，如hexylresorcinol以及来自先正达化合物库的两个新型化合物。这些新型化合物对M. mazei topo VI表现出抑制活性，且对细菌旋转酶、topo IV和人类topo II无影响，表明它们可能是topo VI的新型催化抑制剂。目前尚缺乏能够稳定topo VI-DNA切割复合物的抑制剂（类似于氟喹诺酮类抗生素或依托泊苷的作用），这类抑制剂的发现将极大地推动该领域的发展。

结论与展望

DNA拓扑异构酶VI是一种独特的IIB型拓扑异构酶，在古菌、植物和某些细菌的DNA代谢中扮演着重要角色。其在植物内复制中的关键作用使其成为开发新型除草剂或植物矮化剂的潜在靶点。尽管在结构生物学和生物化学方面取得了显著进展，但对topo VI的理解仍存在空白。未来研究的关键方向包括：解析topo VI与DNA的复合物结构以阐明其链穿过机制的细节；阐明植物辅助蛋白Rhl1和Bin4的功能；探究细菌中topo VI的生物学作用；以及发现更多特异性强、作用机制新颖的抑制剂，特别是能够稳定切割复合物的药物。随着对这些问题的深入探索，topo VI有望在基础研究和应用开发中展现出更大的价值。