DNA拓扑异构酶 I

DNA 拓扑异构酶 I 和 II（ 126430 ） 以一种允许 DNA 链相互穿过的方式催化 DNA 链的断裂和重新连接，从而改变 DNA 的拓扑结构。I 型拓扑异构酶（ EC 5.99.1.2 ） 破坏单个 DNA 链，而 II 型酶破坏双链 DNA 的 2 条链。若干证据表明拓扑异构酶 I 通常在转录过程中起作用（D'Arpa 等人的总结，1988 年）。

▼ 克隆与表达

达帕等人（1988）报道了人类拓扑异构酶 I 的 cDNA 克隆。

孤立地，胡安等人（1988）使用针对纯化的 HeLa DNA 拓扑异构酶 I 产生的兔抗体，通过免疫化学筛选表达人 cDNA 片段的 λ 噬菌体文库，孤立出人 TOP1 基因的 cDNA 克隆。

▼ 基因功能

IB 型拓扑异构酶在 DNA 双链体周围形成一个蛋白质夹，并产生一个允许去除超螺旋的瞬时切口。Koster 等人使用实时单分子观察（2005）证明 TOPIB 通过旋转机制释放超螺旋，该机制涉及旋转 DNA 和酶腔之间的摩擦，即 DNA 不能自由旋转。与切口酶不同，TOPIB 不会一次释放所有超螺旋，而是分多个步骤释放。每一步去除的超线圈数量遵循指数分布。该酶被发现对扭矩敏感，因为每步的平均超螺旋数随着存储在 DNA 中的扭矩而增加。科斯特等人（2005）提出了一种拓扑异构化模型，其中扭矩驱动 DNA 在崎岖的周期性能量景观中旋转，其中拓扑异构酶具有很小但可量化的概率，每转一次重新连接 DNA。

Chu 等人在秀丽隐杆线虫中结合使用蛋白质组学、细胞学和功能分析（2006）将与生精染色质共纯化的 1,099 种蛋白质减少到 132 种蛋白质，用于功能分析。这种寻找从秀丽隐杆线虫到哺乳动物保守的生育因子的策略实现了其目标：在与线虫蛋白相对应的小鼠基因敲除中，37%（19 个中的 7 个）导致雄性不育。此列表包括 PPP1CC（ 176914 ）、H2AX（ 601772 ）、SON（ 182465 ）、TOP1、DDX4（ 605281 ）、DBY（ 400010 ） 和 CENPC（ 117141 ）。

Humbert 等人使用短发夹 RNA（2009）发现 TOP1 的敲低增加了正常人二倍体成纤维细胞的复制潜力，伴随着衰老标志物的表达减少和 DNA 损伤反应的减弱。相反，TOP1 过表达诱导生长停滞、衰老标志物的出现和 DNA 损伤反应的激活。Western blot分析显示TOP1的敲低与磷酸化ATM（减排相关607585），磷酸化的p53（TP53; 191170）和总p53和p21（CDKN1A; 116899）的蛋白质。亨伯特等人（2009）得出结论，TOP1 通过 DNA 损伤-p53 途径控制细胞衰老。

RNase H2 专门用于从双链 DNA 中去除单个核糖核苷酸（核糖核苷单磷酸，或 rNMP），它在出芽酵母中的缺失与短串联重复序列中缺失的积累有关。金等人（2011）证明 rNMP 相关缺失的形成需要 Top1 的活性，Top1 是一种拓扑异构酶，通过可逆地切割双链 DNA 来松弛超螺旋。报告的研究扩展了 Top1 的作用，包括将基因组 DNA 中的 rNMP 加工成不可逆的单链断裂，这种活动可能具有明显的诱变后果，并且可能与人类疾病有关。

金等人（2013）发现，TOP1 抑制剂拓扑替康剂量依赖性地降低了小鼠和人类神经元中极长基因的表达，包括几乎所有长度超过 200 kb 的基因。敲低神经元中的 Top1 或 Top2b（ 126431 ）后，长基因的表达也会降低，这表明长基因的完全表达需要两种酶。通过绘制神经元中全基因组的 RNA 聚合酶 II 密度，King 等人（2013）发现这种对基因表达的长度依赖性影响是由于转录延伸受损。有趣的是，许多高置信度自闭症谱系障碍（ 209850 ） 候选基因异常长，并且在 TOP1 抑制后表达减少。金等人（2013）得出的结论是，损害拓扑异构酶的化学物质和基因突变通常会导致自闭症谱系障碍和其他神经发育障碍。

Dejosez 等人在小鼠诱导的多能干细胞中使用全基因组筛选（2013）确定了一个以 p53、拓扑异构酶和嗅觉受体为中心的基因网络（见164342），其下调导致细胞在体外和小鼠胚胎中取代野生型细胞，但不会干扰正常发育。德霍斯等人（2013）表明这些基因似乎在促进细胞合作方面发挥了意想不到的作用。

▼ 基因结构

昆泽等人（1991）证明 TOP1 的编码序列被分成 21 个外显子，分布在至少 85 kb 的基因组 DNA 上。20 个内含子的大小在 0.2 到至少 30 kb 之间变化。鲍姆加特纳等人（1994）在小鼠的 Top1 基因中发现了类似的外显子-内含子结构。

▼ 生化特征

科斯特等人（2007）在拓扑替康（一种喜树碱）存在下，使用单分子纳米操作监测人类拓扑异构酶 I 的动力学。这允许实时检测单个拓扑替康分子的结合和解除结合，并对 DNA 上拓扑异构酶的药物诱导捕获进行量化。出乎意料的是，科斯特等人（2007）发现拓扑替康显着阻碍了拓扑异构酶介导的 DNA 解螺旋，对去除正（过度缠绕）与负超螺旋的影响更显着。在出芽酵母中的体内实验证实了由此产生的预测，即由于拓扑异构酶 I 的喜树碱中毒，正超螺旋会在转录和复制过程中积累。然而，正超螺旋不是由表达催化活性的喜树碱的细胞的药物处理诱导的。抗性拓扑异构酶 I 突变体。科斯特等人（2007）得出的结论是，单分子和体内数据的结合表明喜树碱的细胞毒性机制，其中正超螺旋在复制机制之前的积累会诱导潜在的致命 DNA 损伤。

▼ 测绘

胡安等人（1988）通过原位杂交和体细胞杂交的组合将 TOP1 基因定位到 20q12-q13.2。他们表明人类 TOP1 是一个单拷贝基因。通过对一组啮齿动物-人类体细胞杂交体的消化 DNA 进行 Southern 印迹分析，Kunze 等人（1989）证明完整基因位于 20 号染色体上，2 个截短的假基因位于 1 号和 22 号染色体上。原位杂交显示完整基因位于 20q11.2-q13.1 条带上，假基因位于带 1q23-q24 和 22q11.2-q13.1。

鲍姆加特纳等人（1994）将小鼠 Top1 基因定位到远端 2 号染色体。此外，小鼠基因组在 16 号染色体上包含一个截断的加工 Top1 相关假基因，其中与免疫球蛋白 λ 轻链基因（ 147220 ） 一起定义了一个保守的连锁群鼠类 16 号染色体和人 22 号染色体共有。定位数据和结构特征表明，假基因是在哺乳动物辐射之前建立的。

▼ 细胞遗传学

阿胡贾等人（1999）从治疗相关的急性骨髓性白血病（见601626）和治疗相关的骨髓增生异常综合征患者中克隆并表征了 at（11;20）（p15;q11） 易位。他们发现 11p15 上的断点靶向 NUP98 基因（ 601021 ），导致 N 端 FXFG 重复序列与位于 C 端的 RNA 结合域分离。20q11 上的断点发生在 TOP1 基因内。结果，编码 NUP98 FXFG 重复的嵌合 mRNA 与 TOP1 的主体融合。阿胡贾等人（1999）得出结论，NUP98 是治疗相关恶性肿瘤的复发靶点，而 TOP1 是以前未被识别的染色体易位靶点。

▼ 等位基因变体（ 2 精选示例）：

.0001 DNA 拓扑异构酶 I，抗喜树碱
TOP1、ASP533GLY 和 ASP583GLY
喜树碱（CPT） 是一种从植物喜树中分离的生物碱，对多种实验性肿瘤具有很强的抗肿瘤活性。它是真核 DNA 拓扑异构酶 I 的特异性抑制剂。Tamura 等人（1991）证明 CPT 抗性人白血病细胞系在 TOP1 基因中有 2 个突变，这导致酶蛋白的第 533 和 583 位残基处的氨基酸从天冬氨酸变为甘氨酸。

.0002 DNA 拓扑异构酶 I，抗喜树碱
TOP1, GLU418LYS
张等人（2002）确定了 TOP1 基因的核苷酸 1463 处的 G 到 A 转换，导致 glu418 到 lys（E418K） 取代，作为 CPT 抗性的基础。