拓扑异构酶，DNA，III，α

TOP3A 基因编码拓扑异构酶 III α，它作为 BTRR 复合物的一部分与 BLM（RECQL3; 604610 ）结合，促进由同源重组介导的双链 DNA 修复引起的双霍利迪接头（dHJ）的溶解（dsDNA）在 DNA 合成过程中断裂（Martin 等人总结，2018 年）。

哺乳动物 DNA 拓扑异构酶（Topo） III 属于 IA 型 DNA Topo 亚家族，其成员还包括细菌 DNA Topo I 和 Topo III，以及酵母 Topo III。S. cerevisiae Topo III 可能在 DNA 复制的最后阶段断开亲本链和/或在有丝分裂细胞中可能导致重组的结构解离中发挥重要作用（Li 和 Wang 总结，1998 年）。

▼ 克隆与表达

通过克隆和测序，Hanai 等人（1996）鉴定了人类 cDNA 编码的蛋白质与大肠杆菌 DNA 拓扑异构酶 I 亚家族的酶同源，并且与真核生物 DNA 拓扑异构酶 I 没有显着的序列同源性（ 126420 ）。在缺乏内源性 DNA 拓扑异构酶 I 的酵母中表达克隆的人类 cDNA 在细胞提取物中产生了一种活性，该活性可特异性地减少高度负超螺旋 DNA 中的超螺旋数量。基于这些结果， Hanai 等人将包含 cDNAs 序列的人类基因称为 TOP3，将其编码的蛋白质称为 DNA 拓扑异构酶 III（1996 年）。

弗里茨等人（1997）分离了人类 TOP3 的几乎全长 cDNA。Northern印迹分析表明TOP3在多种体细胞组织中表达。

▼ 基因功能

吴等人（2000）确定 BLM（RECQL3; 604610 ）和 TOP3A 在人类细胞核中共定位并从细胞提取物中共免疫沉淀。通过对截短的 BLM 突变体进行体外结合分析，作者确定了 2 个孤立的域，它们介导与 TOP3A 的相互作用。一个结构域位于 BLM 的 N 端结构域中的残基 143 和 212 之间，另一个位于 C 端结构域中的残基 1266 和 1417 之间。

胡等人（2001）利用绿色荧光蛋白（GFP）标记的 BLM 的各种缺失构建体来证明 BLM 的前 133 个氨基酸对于 Topo III-α 和 BLM 之间的相互作用是必要和充分的。BLM 的 Topo III-α 相互作用域对于将 BLM 定位到 PML 核体不是必需的；相反，Topo III-α 通过与 BLM 的相互作用被招募到 PML 核体中。Bloom 综合征细胞中全长 BLM（氨基酸 1-1417）的表达将其高姐妹染色单体交换纠正至正常水平，而缺乏 Topo III-α 相互作用域（氨基酸 133-1417）的 BLM 片段的表达导致中间姐妹染色单体交换水平。作者假设 BLM-TOP3A 复合物参与了体细胞重组的调控。

Wu 和 Hickson（2003）证明 BLM 和 TOP3A 共同影响包含双 Holliday 结的重组中间体的分辨率。他们称之为双结溶解的机制不同于经典的霍利迪结分辨率，并防止侧翼序列的交换。这种活动的丧失解释了布鲁姆综合征的许多细胞表型。吴和希克森（2003）提出双霍利迪接头是在复制过程中出现的子链间隙的同源重组依赖性修复过程中形成的，并且 BLM 对这些双霍利迪接头的溶解阻止了在布鲁姆综合征细胞中看到的诊断性高姐妹染色单体交换频率。此外，BLM 催化的双连接溶解可以通过抑制异位重组和同源染色体之间的交叉来防止杂合性丧失（与小鼠 BLM 缺陷相关的特征）来抑制肿瘤发生。

吴等人（2006）表明 RMI1（ 610404 ）在体外试验中促进了 TOP3A 催化的溶解，但不促进其他 IA 型拓扑异构酶催化的溶解。RMI1 与 TOP3A 物理交互，它似乎招募 TOP3A 来加倍霍利迪路口。雷纳德等人（2006）表明 RMI1 与 TOP3A 和 BLM 孤立相关，并且在生理条件下，BLM 和 TOP3A 对双霍利迪接头的溶解完全依赖于 RMI1。

高库等人（2010）发现人类 EVL（ 616912 ）在 TOP3A 存在下形成单链 DNA（ssDNA）的环状热稳定多聚体。连接取决于 EVL 的退火活性。表面等离子共振分析证实了EVL和TOP3A的相互作用。高库等人（2010）提出，EVL 和 TOP3A 可能是通过处理在此过程中形成的 DNA 中间体进行同源重组所必需的。

Nicholls 等人使用梯度分离（2018）发现 Top3-α 定位于 HeLa 细胞的线粒体基质。敲除 HeLa 细胞中的 Top3-α 导致线粒体 DNA（mtDNA）的维护和拓扑结构出现缺陷，因为 mtDNA 拷贝数被耗尽并积累了高分子量 mtDNA 种类。通过电子显微镜对高分子量 mtDNA 种类的分析表明，Top3-α 的丢失诱导了 mtDNA 链烷的形成。链状物种表现为在单个中心点连接在一起的环状 DNA 分子的集合，只有一小部分单体 mtDNA 保留在 Top3-α 敲低细胞中。在 mtDNA 复制终止期间，链烷的形成以线粒体 DNA 上重链（OriH） DNA 合成区域的起点为中心，形成一个结构，作者将其称为半链烷，它由具有单链 DNA 的分支分子组成，不代表 Holliday 结。BLM-Top3-α RMI1-RMI2（BTR）复杂的蛋白质组分的线粒体定位通过细胞分数的Western 印迹表明线粒体Top3-α 功能孤立于BTR 复杂尽管核Top3-α 是BTR 复杂的一个亚基。Top3-α 耗竭对 mtDNA 分离和分离的影响的共聚焦显微可视化表明，孤立 mtDNA 的分离单元即类核需要 Top3-α 介导的 DNA 分离。BLM-Top3-α RMI1-RMI2（BTR）复杂的蛋白质组分的线粒体定位通过细胞分数的Western 印迹表明线粒体Top3-α 功能孤立于BTR 复杂尽管核Top3-α 是BTR 复杂的一个亚基。Top3-α 耗竭对 mtDNA 分离和分离的影响的共聚焦显微可视化表明，孤立 mtDNA 的分离单元即类核需要 Top3-α 介导的 DNA 分离。BLM-Top3-α RMI1-RMI2（BTR）复杂的蛋白质组分的线粒体定位通过细胞分数的Western 印迹表明线粒体Top3-α 功能孤立于BTR 复杂尽管核Top3-α 是BTR 复杂的一个亚基。Top3-α 耗竭对 mtDNA 分离和分离的影响的共聚焦显微可视化表明，孤立 mtDNA 的分离单元即类核需要 Top3-α 介导的 DNA 分离。

▼ 测绘

Hanai 等人通过 Southern 分析和荧光原位杂交筛选了一组人/啮齿动物体细胞杂种（1996）证明人类 TOP3 基因以单拷贝形式存在并且位于 17p12-p11.2 上。

▼ 分子遗传学

小头畸形、生长受限和姐妹染色单体交换增加 2

在来自 7 个无关家庭的 10 名患有小头畸形、生长受限和姐妹染色单体交换 2（MGRISCE2; 618097 ）增加的患者中，Martin 等人（2018）鉴定了 TOP3A 基因中的双等位基因突变（参见，例如，601243.0001 - 601243.0003）。通过全外显子组测序发现并通过 Sanger 测序确认的突变与家族中的疾病分离。除 1 之外的所有预测都会导致移码和过早终止，这通常与无义介导的 mRNA 衰变有关，并且与功能丧失一致。一名患者（患者 5）是错义突变（A176V）和移码突变的复合杂合子。来自几名患者的细胞显示出 TOP3A 蛋白的量减少。与对照组相比，患者细胞的姐妹染色单体交换（SCE）显着增加（3 至 6 倍），表明存在广泛的交叉重组。来自 1 名患者的细胞在有丝分裂期间显示出染色体分离缺陷，染色质桥增加，染色质和染色体滞后，以及有丝分裂后缺陷，如微核增多和核小体异常。1 名患者的骨骼肌活检显示线粒体 DNA 显着耗竭；其他患者没有类似的研究。这些发现与 DNA 损伤和基因组不稳定性的总体积累一致，这可能会在发育过程中损害细胞活力，导致小头畸形和生长受限。

进行性外眼肌麻痹伴线粒体 DNA 缺失，常染色体隐性遗传 5

Nicholls 等人在一名 67 岁的女性患有常染色体隐性遗传进行性眼外肌麻痹伴线粒体 DNA 缺失 5（PEOB5; 618098 ）（2018）鉴定了 TOP3A 基因中的复合杂合突变（M100V、601243.0004和 R135X、601243.0005）。通过全外显子组测序发现并通过 Sanger 测序确认的突变与家庭中的疾病分离，尽管未获得已故未受影响父亲的 DNA。预计 R135X 变体会导致功能丧失。体外功能表达研究表明，M100V 变体的催化活性受损，与对照组相比，患者细胞的链状 mtDNA 水平升高。患者骨骼肌活检显示大量缺乏 COX 的参差不齐的红色纤维、增加的 mtDNA 缺失（超过 80%）和广泛的可变 mtDNA 重排。这些发现说明了 TOP3A 在 mtDNA 复制和分离中的重要作用。

Smith-Magenis 综合征中的 TOP3A 缺失

埃尔西等人（1998）报道了 TOP3 基因在 Smith-Magenis 综合征（SMS; 182290 ）患者中通常缺失，并且 TOP3 基因在 17p 上位于 D17S447 和 D17S258 之间。作者得出结论，TOP3 的单倍体不足对 SMS 患者的细胞行为没有重大影响，并且可能在 SMS 表型中不起重要作用。在 SMS 患者淋巴母细胞及其各自亲代细胞系的细胞研究中，Elsea 等人（1998）发现 TOP3 的半合子不影响细胞周期动力学和/或电离辐射敏感细胞周期检查点的激活。此外，在 SMS 和亲代细胞中响应电离辐射诱导的细胞凋亡是相似的。

▼ 动物模型

Li 和 Wang（1998）对小鼠 Top3 或 Top3-α 基因进行了靶向破坏。没有获得可行的纯合突变后代。解剖胚胎的检查表明纯合突变胚胎的植入和蜕膜的诱导可能发生，但这些胚胎的生存能力在发育的早期阶段受到严重损害。杂合突变后代类似于它们的野生型同窝仔。

▼ 等位基因变体（ 5个精选示例）：

.0001 小头畸形、生长受限和姐妹染色单体交换增加 2
TOP3A，1-BP DEL，NT2718
在一个患有小头畸形、生长受限和姐妹染色单体交换 2（MGRISCE2; 618097 ）增加的女孩（家庭 1）中，Martin 等人（2018）鉴定了 TOP3A 基因中的纯合 1-bp 缺失（c.2718del，NM_004618.4），导致移码和过早终止（Thr907LeufsTer101）。通过全外显子组测序发现并通过 Sanger 测序确认的突变与家族中的疾病分离。该变体在 gnomAD 数据库中的发现频率较低（0.00041%）。突变发生在基因的 3 素末端，预计会逃避无义介导的 mRNA 衰变并导致产生缺乏 C 末端锌指结构域的蛋白质。体外功能表达研究表明，与野生型相比，突变导致蛋白质稳定性降低，这与酶活性丧失是致病机制一致。

.0002 小头畸形、生长受限和姐妹染色单体交换增加 2
TOP3A，1-BP DUP，NT2271
在来自 4 个无关家庭（家庭 2、4、6 和 7）的 6 名患有小头畸形、生长受限和姐妹染色单体交换 2（MGRISCE2; 618097 ）增加的中东血统的患者中，Martin 等人（2018）在 TOP3A 基因中发现了一个纯合 1-bp 重复（c.2271dup, NM_004618.4），导致移码和过早终止（Arg758GlnfsTer3）。通过全外显子组测序发现并通过 Sanger 测序确认的突变与家族中的疾病分离，并且不存在于 gnomAD 数据库中。

.0003 小头畸形、生长受限和姐妹染色单体交换增加 2
TOP3A，1-BP DEL，NT2428
在中东血统的西班牙同胞（家族 5）中，患有小头畸形、生长受限和姐妹染色单体交换 2（MGRISCE2；618097）增加，Martin 等人（2018）在 TOP3A 基因中发现了一个纯合的 1-bp 缺失（c.2428del, NM_004618.4），导致移码和过早终止（Ser810LeufsTer2）。通过全外显子组测序发现并通过 Sanger 测序确认的突变与家族中的疾病分离，并且不存在于 gnomAD 数据库中。

.0004 进行性外眼肌麻痹伴线粒体 DNA 缺失，常染色体隐性遗传 5（1 名患者）
TOP3A，MET100VAL
Nicholls 等人在一名 67 岁的女性患有常染色体隐性遗传进行性眼外肌麻痹伴线粒体 DNA 缺失 5（PEOB5; 618098 ）（2018）鉴定了 TOP3A 基因中的复合杂合突变：c.298A-G 转换（c.298A-G，NM_004618.3），导致met100-to-val（M100V）取代，以及 c.403C- T 转换，导致 arg135 到 ter（R135X; 601243.0005）替代。两种突变都发生在拓扑异构酶/引物酶结构域中。通过全外显子组测序发现并通过 Sanger 测序确认的突变与家庭中的疾病分离，尽管未获得已故未受影响父亲的 DNA。在 ExAC 数据库（M100V 为 5.804 x 10（-5）和 R135X 为 1.983 x 10（-4））中，这两种变体均以低频率杂合状态被发现。预计 R135X 变体会导致功能丧失。体外功能表达研究表明，M100V 变体的催化活性受损，与对照组相比，患者细胞的链状 mtDNA 水平升高。患者骨骼肌活检显示大量缺乏 COX 的参差不齐的红色纤维、增加的 mtDNA 缺失（超过 80%）和广泛的可变 mtDNA 重排。

.0005 进行性外眼肌麻痹伴线粒体 DNA 缺失，常染色体隐性遗传 5（1 名患者）
TOP3A, ARG135TER
讨论 TOP3A 基因中的 c.403C-T 转换（c.403C-T，NM_004618.3），导致 arg135-to-ter（R135X）取代，在复合杂合状态的患者中发现Nicholls 等人的常染色体隐性进行性外眼肌麻痹伴线粒体 DNA 缺失-5（PEOB5; 618098 ）（2018），见601243.0004。