TOPOIZOMERAZY: CHARAKTERYSTYKA, FUNKCJE, RODZAJE I INHIBITORY - BIOLOGIA - 2026

W Topoizomerazy są enzymami izomerazy typu modyfikowania topologii kwasu dezoksyrybonukleinowego (DNA), tworząc zarówno jego odwijanie i supercoiling jako zawinięcie.

Enzymy te odgrywają szczególną rolę w łagodzeniu naprężeń skrętnych w DNA, tak że mogą wystąpić ważne procesy, takie jak jego replikacja, transkrypcja DNA na informacyjny kwas rybonukleinowy (mRNA) i rekombinacja DNA.

Rysunek 1. Topoizomeraza II. Źródło: Emw, źródło Wikimedia Commons

Enzymy topoizomerazy są obecne zarówno w komórkach eukariotycznych, jak i prokariotycznych. Jego istnienie zostało przewidziane przez naukowców Watsona i Cricka, oceniając ograniczenia, jakie przedstawia struktura DNA, aby umożliwić dostęp do jego informacji (przechowywanych w jego sekwencji nukleotydów).

Aby zrozumieć funkcje topoizomerazy, należy wziąć pod uwagę, że DNA ma stabilną strukturę podwójnej helisy, z nićmi nawiniętymi jedna na drugą.

Te liniowe łańcuchy składają się z 2-dezoksyrybozy połączonej wiązaniami fosfodiestrowymi 5'-3 'i zasad azotowych wewnątrz, jak szczeble spiralnych schodów.

Rysunek 2. Cząsteczka DNA. Źródło: https://es.m.wikipedia.org/wiki/Archivo:3DScience_DNA_structure_labeled_a.jpg

Topologiczne badanie cząsteczek DNA wykazało, że mogą one przyjmować różne konformacje w zależności od naprężenia skrętnego: od stanu zrelaksowanego po różne stany zwinięcia, które pozwalają na ich zagęszczenie.

Cząsteczki DNA o różnych konformacjach nazywane są topoizomerami. Zatem możemy wywnioskować, że topoizomerazy I i II mogą zwiększać lub zmniejszać naprężenie skrętne cząsteczek DNA, tworząc ich różne topoizomery.

Wśród możliwych topoizomerów DNA najczęstszą konformacją jest supersewka, która jest bardzo zwarta. Jednak podwójna helisa DNA musi być również rozwijana przez topoizomerazy podczas różnych procesów molekularnych.

cechy

Ogólny mechanizm działania

Niektóre topoizomerazy mogą rozluźniać tylko ujemne superkręty DNA lub oba superkręty DNA: dodatnie i ujemne.

Jeśli kolisty dwuniciowy DNA jest rozwijany na swojej długiej osi i następuje obrót w lewo (zgodnie z ruchem wskazówek zegara), mówi się, że jest ujemnie superskręcony. Jeśli skręt jest zgodny z ruchem wskazówek zegara (przeciwnie do ruchu wskazówek zegara), jest pozytywnie przekroczony.

Rysunek 3. Ujemnie superskręcony, zrelaksowany i dodatnio superskręcony kolisty dwuniciowy DNA. Źródło: Fdardel, źródło Wikimedia Commons

Zasadniczo topoizomerazy mogą:

-Ułatwienie przejścia nici DNA przez cięcie w przeciwnej nici (topoizomeraza typu I).

-Ułatwienie przejścia pełnej podwójnej helisy przez samo cięcie lub przez rozszczepienie w innej innej podwójnej helisie (topoizomeraza typu II).

Podsumowując, topoizomerazy działają poprzez rozszczepienie wiązań fosfodiestrowych w jednej lub obu niciach tworzących DNA. Następnie modyfikują stan zwinięcia nici podwójnej helisy (topoizomeraza I) lub dwóch podwójnych helis (topoizomeraza II), aby ostatecznie związać lub ponownie związać odcięte końce.

Topoizomerazy i cykl komórkowy

Chociaż topoizomeraza I jest enzymem, który wykazuje wyższą aktywność podczas fazy S (synteza DNA), nie uważa się, że jest on zależny od fazy cyklu komórkowego.

Natomiast aktywność topoizomerazy II jest bardziej aktywna w logarytmicznej fazie wzrostu komórek oraz w komórkach szybko rosnących guzów.

cechy

Zmiana genów kodujących topoizomerazy jest zabójcza dla komórek, co dowodzi znaczenia tych enzymów. Wśród procesów, w których uczestniczą topoizomerazy, są:

Kompaktowe przechowywanie materiału genetycznego

Topoizomerazy ułatwiają przechowywanie informacji genetycznej w zwarty sposób, ponieważ generują zwijanie i superskręcenie DNA, umożliwiając znalezienie dużej ilości informacji w stosunkowo niewielkiej objętości.

Dostęp do informacji genetycznej

Bez topoizomerazy i ich unikalnych cech dostęp do informacji przechowywanych w DNA byłby niemożliwy. Wynika to z faktu, że topoizomerazy okresowo uwalniają naprężenia skrętne powstające w podwójnej helisie DNA podczas jej rozwijania w procesach replikacji, transkrypcji i rekombinacji.

Rysunek 4. Replikacja DNA. Zobacz topoizomerazę na początku spinki do włosów DNA. Źródło: LadyofHats przetłumaczone przez Miguelsierra, za Wikimedia Commons

Jeśli naprężenie skrętne powstające podczas tych procesów nie zostanie uwolnione, może wystąpić wadliwa ekspresja genów, przerwanie kolistego DNA lub chromosomu, a nawet śmierć komórki.

Regulacja ekspresji genów

Zmiany konformacyjne (w trójwymiarowej strukturze) cząsteczki DNA odsłaniają określone regiony na zewnątrz, które mogą oddziaływać z białkami wiążącymi DNA. Białka te pełnią funkcję regulacyjną ekspresji genów (dodatnią lub ujemną).

Rysunek 5. Białko regulujące ekspresję genów, w tym przypadku zapobiega ekspresji niektórych genów. Zephyris w angielskiej Wikipedii

Zatem stan zwinięcia DNA, generowany przez działanie topoizomerazy, wpływa na regulację ekspresji genów.

Cechy szczególne topoizomerazy II

Topoizomeraza II jest niezbędna do tworzenia chromatyd, kondensacji i dekondensacji chromosomów oraz do segregacji cząsteczek potomnych DNA podczas mitozy.

Enzym ten jest także białkiem strukturalnym i jednym z głównych składników macierzy jądra komórkowego podczas interfazy.

Rodzaje topoizomerazy

Istnieją dwa główne typy topoizomerazy w zależności od tego, czy są w stanie rozszczepić jedną czy dwie nici DNA.

-Topoizomerazy typu I

Monomeryczny

Topoizomerazy typu I to monomery, które łagodzą ujemne i dodatnie superskręty, które są wytwarzane przez ruch spinki do włosów podczas transkrypcji oraz podczas procesów replikacji i rekombinacji genów.

Topoizomerazy typu I można podzielić na typ 1A i typ 1B. Te ostatnie występują u ludzi i są odpowiedzialne za rozluźnienie superskręconego DNA.

Tyrozyna w jej aktywnym miejscu

Topoizomeraza 1B (Top1B) składa się z 765 aminokwasów podzielonych na 4 określone domeny. Jedna z tych domen ma wysoce konserwatywny obszar zawierający miejsce aktywne tyrozyny (Tyr7233). Wszystkie topoizomerazy zawierają tyrozynę w swoim miejscu aktywnym, odgrywającą fundamentalną rolę w całym procesie katalitycznym.

Mechanizm akcji

Tyrozyna w miejscu aktywnym tworzy wiązanie kowalencyjne z 3'-fosforanowym końcem nici DNA, przecinając go i utrzymując przyczepiony do enzymu, podczas gdy inna nić DNA przechodzi przez cięcie.

Przejście drugiej nici DNA przez rozszczepioną nić uzyskuje się dzięki transformacji konformacyjnej enzymu, która powoduje otwarcie podwójnej helisy DNA.

Następnie topoizomeraza I wraca do swojej początkowej konformacji i ponownie wiąże rozszczepione końce. Dzieje się to w procesie odwrotnym do rozpadu łańcucha DNA w miejscu katalitycznym enzymu. Wreszcie topoizomeraza uwalnia nić DNA.

Szybkość ligacji DNA jest wyższa niż szybkość wycinania, co zapewnia stabilność cząsteczki i integralność genomu.

Podsumowując, topoizomeraza typu I katalizuje:

1. Rozszczepienie pasma.
2. Przejście drugiego pasma przez dekolt.
3. Podwiązanie rozszczepionych końców.

-Topoizomerazy typu II

Dimeric

Topoizomerazy typu II to dimeryczne enzymy, które rozszczepiają obie nici DNA, rozluźniając w ten sposób superkręty powstające podczas transkrypcji i innych procesów komórkowych.

Zależne od Mg

Enzymy te potrzebują magnezu (Mg ⁺⁺ ), a także energii pochodzącej z rozerwania wiązania trifosforanowego ATP, którą wykorzystują dzięki ATPazie.

Dwa miejsca aktywne z tyrozyną

Ludzkie topoizomerazy II są bardzo podobne do tych z drożdży (Saccharomyces cerevisiae), które składają się z dwóch monomerów (podfragmenty A i B). Każdy monomer ma domenę ATPazy, aw sub-fragmencie tyrozynę 782 w miejscu aktywnym, z którą może się wiązać DNA. Zatem dwie nici DNA mogą wiązać się z topoizomerazą II.

Mechanizm akcji

Mechanizm działania topoizomerazy II jest taki sam jak ten opisany dla topoizomerazy I, biorąc pod uwagę, że rozszczepiane są dwie nici DNA, a nie tylko jedna.

W miejscu aktywnym topoizomerazy II stabilizowany jest fragment DNA o podwójnej helisie, zwany „fragmentem G” (poprzez wiązanie kowalencyjne z tyrozyną). Ten fragment jest wycinany i utrzymywany razem w miejscu aktywnym przez wiązania kowalencyjne.

Enzym pozwala następnie na przejście innego fragmentu DNA, zwanego „fragmentem T”, przez rozszczepiony fragment „G”, dzięki zmianie konformacyjnej enzymu, która jest zależna od hydrolizy ATP.

Topoizomeraza II wiąże dwa końce „fragmentu G” i ostatecznie odzyskuje swój stan początkowy, uwalniając fragment „G”. Następnie DNA rozluźnia naprężenia skrętne, umożliwiając replikację i transkrypcję.

-Ludzkie topoizomerazy

Genom ludzki ma pięć topoizomerazy: top1, top3α, top3β (typ I); i top2α, top2β (typu II). Najbardziej istotnymi ludzkimi topoizomerazami są top1 (topoizomeraza typu IB) i 2α (topoizomeraza typu II).

Inhibitory topoizomerazy

-Topoizomerazy jako cel ataku chemicznego

Ponieważ procesy katalizowane przez topoizomerazy są niezbędne do przeżycia komórek, enzymy te są dobrym celem ataku na komórki złośliwe. Z tego powodu topoizomerazy są uważane za ważne w leczeniu wielu chorób człowieka.

Leki, które oddziałują z topoizomerazami, są obecnie szeroko badane jako substancje chemioterapeutyczne przeciwko komórkom rakowym (w różnych narządach organizmu) i mikroorganizmom chorobotwórczym.

-Rodzaje zahamowania

Leki hamujące aktywność topoizomerazy mogą:

• Zamknięty w DNA.
• Wpływają na enzym topoizomerazę.
• Interkalacja w cząsteczce znajdującej się blisko miejsca aktywnego enzymu, podczas gdy kompleks DNA-topoizomeraza jest stabilizowany.

Stabilizacja przejściowego kompleksu, który powstaje w wyniku wiązania DNA z tyrozyną w miejscu katalitycznym enzymu, zapobiega wiązaniu rozszczepionych fragmentów, co może prowadzić do śmierci komórki.

-Leki będące inhibitorami topoizomerazy

Wśród związków, które hamują topoizomerazy, są następujące.

Antybiotyki przeciwnowotworowe

Antybiotyki są stosowane przeciwko rakowi, ponieważ zapobiegają wzrostowi komórek nowotworowych, zwykle ingerując w ich DNA. Są one często nazywane antybiotykami przeciwnowotworowymi (rakowymi). Na przykład aktynomycyna D wpływa na topoizomerazę II i jest stosowana w nowotworach Wilmsa u dzieci i mięsakach prążkowanokomórkowych.

Antracykliny

Antracykliny należą do antybiotyków, jednych z najskuteczniejszych leków przeciwnowotworowych o najszerszym spektrum. Są stosowane w leczeniu raka płuc, jajników, macicy, żołądka, pęcherza, piersi, białaczki i chłoniaków. Wiadomo, że wpływa na topoizomerazę II poprzez interkalację w DNA.

Pierwszą antracykliną wyizolowaną z aktynobakterii (Streptomyces peucetius) była daunorubicyna. Następnie w laboratorium zsyntetyzowano doksorubicynę, a obecnie stosuje się również epirubicynę i idarubicynę.

Antrachinony

Antrachinony lub antracenediony są związkami pochodzącymi z antracenu, podobnie jak antracykliny, które wpływają na aktywność topoizomerazy II poprzez interkalację w DNA. Są stosowane w przypadku raka piersi z przerzutami, chłoniaka nieziarniczego (NHL) i białaczki.

Leki te znaleziono w barwnikach niektórych owadów, roślin (frangula, senes, rabarbar), porostów i grzybów; a także w hoelicie, który jest naturalnym minerałem. W zależności od dawki mogą być rakotwórcze.

Wśród tych związków jest mitoksantron i jego analog, lozoksantron. Zapobiegają one proliferacji złośliwych komórek nowotworowych, nieodwracalnie wiążąc się z DNA.

Epidofilotoksyny

Podofilotoksyny, takie jak epidofilotoksyny (VP-16) i tenipozyd (VM-26), tworzą kompleks z topoizomerazą II. Stosuje się je m.in. w leczeniu raka płuc, raka jąder, białaczki, chłoniaków, raka jajnika, raka piersi i złośliwych guzów wewnątrzczaszkowych. Z roślin izoluje się Podophyllum notatum i P. peltatum.

Analogi kamptotecyny

Kampoteciny to związki hamujące topoizomerazę I, w tym irynotekan, topotekan i diflomotekan.

Związki te są stosowane przeciwko rakowi okrężnicy, płuc i piersi i są pozyskiwane w sposób naturalny z kory i liści nadrzewnego gatunku Camptotheca acuminata z chińskich i tybetańskich cornaceas.

Naturalne zahamowanie

Strukturalne zmiany topoizomerazy I i II mogą również zachodzić całkowicie naturalnie. Może się to zdarzyć podczas niektórych wydarzeń, które wpływają na proces katalityczny.

Te zmiany obejmują tworzenie dimerów pirymidynowych, niedopasowanie zasad azotowych i inne zdarzenia spowodowane stresem oksydacyjnym.

Bibliografia

1. Anderson, H. i Roberge, M. (1992). DNA topoizomeraza II: przegląd jej udziału w strukturze chromosomu, replikacji DNA, transkrypcji i mitozie. Cell Biology International Reports, 16 (8): 717–724. doi: 10,1016 / s0309-1651 (05) 80016-5
2. Chhatriwala, H., Jafri, N., & Salgia, R. (2006). Przegląd hamowania topoizomerazy w raku płuc. Cancer Biology & Therapy, 5 (12): 1600–1607. doi: 10.4161 / cbt.5.12.3546
3. Ho, Y.-P., Au-Yeung, SCF i To, KKW (2003). Środki przeciwnowotworowe na bazie platyny: innowacyjne strategie projektowania i perspektywy biologiczne. Medicinal Research Reviews, 23 (5): 633–655. doi: 10.1002 / med.10038
4. Li, T.-K. i Liu, LF (2001). Śmierć komórek guza indukowana przez leki celowane w topoizomerazę. Annual Review of Pharmacology and Toxicology, 41 (1): 53–77. doi: 10.1146 / annurev.pharmtox.41.1.53
5. Liu, LF (1994). DNA Topoizomerazy: leki ukierunkowane na topoizomerazę. Academic Press. pp 307
6. Osheroff, N. i Bjornsti, M. (2001). Topoizomeraza DNA. Enzymologia i leki. Vol. II. Humana Press. pp 329.
7. Rothenberg, ML (1997). Inhibitory topoizomerazy I: przegląd i aktualizacja. Annals of Oncology, 8 (9), 837–855. doi: 10.1023 / a: 1008270717294
8. Ryan B. (2009, 14 grudnia). Topoizomeraza 1 i 2. Odzyskany z youtube.com