DNA cleavage and opening reactions of human topoisomerase IIα are regulated via Mg2+-mediated dynamic bending of gate-DNA

Type II Topoisomerase는 세포 내 대사과정 중에 발생하는 이중나선 DNA의 위상 문제를 해결하는 매우 중요한 효소이다. 이러한 기능을 수행하기 위해서 이 효소는 DNA를 절단하게 된다. 하지만 유전자 물질의 절단은 매우 위험한 과정이기 때문에 필요한 순간에 잘 조절되어야 한다. 이러한 조절 작용의 중요성에도 불구하고 DNA의 절단이 어떤 메카니즘으로 조절되는지는 잘 알려져 있지 않았다. 본 연구에서는 단일분자 FRET 기술을 이용해 Type II Topoisomerase에 의한 DNA의 절단 반응이 비특이적인 결합, 염기서열 특이적 DNA 구부러짐 그리고 DNA 절단의 순서로 일어나는 것을 처음으로 관찰 하였고 이를 통해 위상문제를 해결하기 위한 DNA 절단 과정이 Mg2+ 이온에 의해 유도되는 DNA의 구부러짐에 의해 조절된다는 것을 세계 최초로 밝혀냈다.

Abstract
Topoisomerase II resolves intrinsic topological problems of double-stranded DNA. As part of its essential cellular functions, the enzyme generates DNA breaks, but the regulation of this potentially dangerous process is not well understood. Here we report single-molecule fluorescence experiments that reveal a previously uncharacterized sequence of events during DNA cleavage by topoisomerase II: non-specific DNA binding, sequence-specific DNA bending, and stochastic cleavage of DNA. We have identified unexpected structural roles of Mg2+ ions coordinated in the TOPRIM domain in inducing cleavage-competent DNA bending. A break at one scissile bond dramatically stabilized DNA bending, explaining how two scission events in opposing strands can be coordinated to achieve a high probability of double-stranded cleavage. Clamping of the protein N-gate greatly enhanced the rate and degree of DNA bending, resulting in a significant stimulation of the DNA cleavage and opening reactions. Our data strongly suggest that the accurate cleavage of DNA by topoisomerase II is regulated through a tight coordination with DNA bending.