拓扑异构酶的结构、功能与进化的结构生物信息学研究

拓扑异构酶（topoisomerase）是一类控制和修改双螺旋DNA复制和转录过程中的拓扑结构的酶，是生命活动中最重要的酶。以IA类和II类拓扑异构酶中共存的toprim以及CAP-like结构域为研究对象，对拓扑异构酶中的三大类酶的分子进化情况进行了分析。结果显示在IA类和II类酶之间序列保守性很低，但是具有两个保守的结构域，在IIB类拓扑异构酶中toprim结构域中存在着和其他toprim结构域相同的四个保守位点，而在CAP-like结构域中IA类和II类中存在较大差异，没有明显的序列保守性，IIB类和IIA类的CAP-like结构域在二级结构上非常相似。从toprim结构域系统进化研究中我们发现IIA类和皿类中toprim结构域的进化关系很近，两类酶的toprim结构域在亲缘关系上和primase较远，而以上三者和IA类的进化关系最远。CAP-like结构域的系统进化研究发现IIA类以及IA类的domain4的CAP-like结构域进化关系比较近，IIB类和他们之间关系稍微远一些，IA类的domain3和以上几个结构域的关系较远，这也与他们的二级结构上的一致性是相同的。通过分析，IIA、IIB类起源于类似IA类的古老的拓扑异构酶，'在IA类进化中经过基因复制产生了两个不同的CAP-like结构域。然后祖先拓扑异构酶发生了变化，N'端加入了ATPase结构域和DNAgyrase/Mutlsecond结构域，形成了严格依赖ATP供能的真核生物IIA类，在细菌中断开成为两个亚基的细菌中IIA类。IIB类是祖先细胞的IIA类的一个或者是两个亚单位在古细菌以及真核生物中通过复制、重组和缺失造成的，IIB类中的toprim结构域很接近IIA类，可以认为，llB类中的toPrim结构域直接由IIA类转移而来，而IIB类中的cAP一1汰e结构域较IIA类中产生更早一些，应该是由拓扑异构酶祖先中产生的二级结构为aβaaββ的CAP-like结构域直接进化而来。然而，两个结构域的基因在连接到一起时候发生了不同于一般顺序的拼接，于是nB类中两个结构域形成了不同于现在的IA类和IIA类的顺序。