DNA旋轉酶

DNA旋轉酶(DNA Gyrase)，經常簡稱為旋轉酶，是一種II類的拓撲異構酶（Type II Topoisomerase）（EC編號5.99.1.3），它的酶作用底物為ccc型環狀DNA（Covalently Closed Circular DNA），作用是加入負超螺旋（Negative Supercoil）或鬆弛正超螺旋（Positive Supercoil）。旋轉酶可以讓DNA形成一個環狀的結構（拓撲學上來說是一個正超螺旋的環環狀的結構），通過切開一段DNA並讓另一段DNA通過形成一個負超螺旋的環狀結構。在這個過程中環繞數（Linking Number）減少了2（從正超螺旋Lk=＋1到負超螺旋Lk=－1,ΔLk=－2）。他的主要功用為紓解解旋酶解開DNA旋轉時所造成的壓力，因為解壓縮旋轉時會造成極大的逆旋轉壓。

旋轉酶的酶學模型

依據現今提出的酶學模型（如圖）^[1] 旋轉酶和cccDNA接合（G片段）形成Gyrase-DNA複合體；DNA被切開，但是形成的兩段DNA末端的磷酸和旋轉酶上的酪氨酸形成磷酸酯鍵，化學能被保留，這個過程不需要ATP；旋轉酶將和G片段相鄰的一段DNA（T片段）通過G片段的切開處，引入負超螺旋，這個過程消耗兩個ATP，稱為DNA的易位（DNA Translocation），喹諾酮類抗生素（Quinolones）阻礙這一步酶促反應；當DNA易位完成，切開的DNA的末端的羥基（3'-OH）攻擊於旋轉酶酪氨酸相結合的磷酸重新形成磷酸二酯鍵，這個過程不需要ATP，DNA-螺旋酶複合體回到圖示的Gyrase-DNA複合體狀態，螺旋酶可以脫離DNA或進入下一個引入負超螺旋的過程。

旋轉酶的生物意義

細菌的染色體和質體大多為環狀，在DNA的轉錄和複製時有嚴重的拓撲問題（Topological Problem），因為在轉錄或複製時在聚合酶的前端會產生正超螺旋（根據拓撲學公式：Lk=Tw＋Wr，解開雙螺旋會使Tw減少，Lk在環狀DNA沒有打開的情況下不會改變，所以Wr一定增加）。產生的正超螺旋，當達到某種程度時會產生張力阻礙DNA雙螺旋的解旋進而阻礙DNA的轉錄或複製。所以旋轉酶必須引入負超螺旋或鬆弛正超螺旋來保證轉錄和複製正常進行。

針對旋轉酶的抗生素

旋轉酶只存在於細菌中，並沒有在真核細胞發現這種酶，所以很多抗生素如喹諾酮類抗生素和新生黴素都以這個酶作為目標。喹諾酮類抗生素包括萘啶酸（Nalidixic acid）和諾氟沙星（Norfloxacin），很早就被用於治療，但是直到發現旋轉酶才明白它的作用機理：它們不阻礙旋轉酶切開DNA鏈，但是阻礙DNA易位，DNA不能重新連接而使DNA形成碎片，起到殺菌的作用。

參考書籍

1. Gore J, Bryant Z, Stone MD, Nollmann M, Cozzarelli NR, Bustamante C, "Mechanochemical Analysis of DNA Gyrase Using Rotor Bead Tracking", Nature 2006 Jan 5 (Vol. 439): 100-104.