DNAジャイレース

DNAジャイレース

DNAジャイレースは、細菌細胞内に存在する非常に重要な酵素であり、DNAトポイソメラーゼII型ファミリーに属します（EC 5.99.1.3）。単にジャイレースやDNAギラーゼと呼ばれることもあります。この酵素は、細菌が生命活動を行う上で必須となるDNAの複製や転写といった過程において、DNAが適切に機能するための構造を維持する役割を担っています。

機能

DNAは細胞内で二重らせん構造をとっていますが、複製や転写が進む際には、この二重らせんがほどける必要があります。しかし、DNAがほどけると、その先の領域に過剰なねじれ（超らせん構造）が生じ、酵素の働きを妨げたり、DNAが切断されたりするリスクが高まります。DNAジャイレースは、この望ましくない超らせん構造を解消する働きをします。具体的には、DNAの二本鎖を切断し、その切断面を通してもう一方の二本鎖を通過させた後に、再び切断した鎖を連結するという、ダイナミックな反応を行います。これにより、DNAのねじれや絡まりが解消され、DNAの高次構造が適切に制御されます。このような機能は、特にゲノムサイズが大きい細菌が、限られた細胞空間内にDNAを効率よく収容し、かつ正確に複製・分配するために不可欠です。

構造

DNAジャイレースは、複数のサブユニットが集まって機能する複合酵素です。例えば、代表的なモデル生物である大腸菌のDNAジャイレースは、GyrAと呼ばれるサブユニット（分子量約115,000）と、GyrBと呼ばれるサブユニット（分子量約95,000）が、それぞれ2つずつ組み合わさった四量体構造（A₂B₂）を形成しています。これらのサブユニットは、それぞれgyrA遺伝子とgyrB遺伝子によってコードされています。GyrAサブユニットはDNA鎖の切断と再結合に関与し、GyrBサブユニットはATPの加水分解によるエネルギーを利用して酵素反応を駆動する役割を担っています。

阻害剤と薬剤標的

DNAジャイレースの機能は細菌の生存に不可欠であるため、この酵素は多くの抗菌薬（抗生物質）の重要な標的となっています。特に有名なのがキノロン系抗生物質です。キノロン系抗生物質は、細菌のDNAジャイレースの働きを選択的に阻害します。興味深いことに、真核生物（ヒトなど）が持つ同種のDNAトポイソメラーゼII型に対してはほとんど作用しないため、細菌に対して特異的な抗菌活性を発揮し、ヒトの細胞への影響を最小限に抑えつつ細菌の増殖を効果的に抑制することができます。

キノロン系の他にも、DNAジャイレースの阻害剤として、クーママイシンやノボビオシンといった化合物が知られています。これらの薬剤は、キノロン系とは異なるメカニズムでジャイレースを阻害します。DNAジャイレースの酵素反応には、ATPのエネルギーを必要とする段階と必要としない段階がありますが、クーママイシンやノボビオシンは、特にATPの加水分解を伴う反応を選択的に阻害することが特徴です。

薬剤耐性との関連

DNAジャイレースは抗菌薬の標的であるため、ジャイレースをコードする遺伝子（gyrAやgyrB）に変異が生じると、薬剤が酵素に結合しにくくなり、細菌が薬剤に対する耐性を獲得する原因となることがあります。薬剤耐性に関する研究から、特定の薬剤がジャイレースのどのサブユニットと相互作用するかも明らかになっています。例えば、オキソリン酸やナリジクス酸といった初期のキノロン系薬は主にGyrAサブユニットと、一方クーママイシンやノボビオシンはGyrBサブユニットと相互作用することが知られており、これらの相互作用部位の変異が耐性に関わっています。

このように、DNAジャイレースは細菌の生命維持に不可欠な酵素であり、その機能や構造の理解は、新しい抗菌薬の開発や薬剤耐性のメカニズム解明において極めて重要です。

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