Charakterystyka, funkcje, typy i inhibitory topoizomeraz



The topoizomerazy są rodzajem enzymów izomerazowych, które modyfikują topologię kwasu dezoksyrybonukleinowego (DNA), generując zarówno jego odwijanie jak i zwijanie.

Enzymy te odgrywają szczególną rolę w łagodzeniu stresu skrętnego w DNA, tak że mogą zachodzić ważne procesy, takie jak jego replikacja, transkrypcja DNA w przekaźnikowym kwasie rybonukleinowym (mRNA) i rekombinacja DNA..

Enzymy topoizomerazy są obecne zarówno w komórkach eukariotycznych, jak i prokariotycznych. Naukowcy Watson i Crick przewidzieli jego istnienie podczas oceny ograniczeń przedstawionych przez strukturę DNA, aby umożliwić dostęp do jej informacji (przechowywanych w sekwencji nukleotydów).

Aby zrozumieć funkcje topoizomeraz, należy wziąć pod uwagę, że DNA ma stabilną strukturę podwójnej helisy, z łańcuchami zwiniętymi jedna nad drugą.

Te łańcuchy liniowe składają się z 2-dezoksyrybozy połączonej wiązaniami fosfodiestrowymi 5'-3 ', a zasady azotowe w ich wnętrzu, jak stopnie spiralnych schodów.

Badanie topologiczne cząsteczek DNA wykazało, że mogą przyjmować kilka konformacji w zależności od ich napięcia skrętnego: od stanu rozluźnionego, do różnych stanów uzwojenia, które umożliwiają ich zagęszczenie.

Cząsteczki DNA o różnych konformacjach nazywane są topoizomerami. Możemy zatem stwierdzić, że topoizomerazy I i II mogą zwiększać lub zmniejszać napięcie skrętne cząsteczek DNA, tworząc ich różne topoizomery.

Wśród możliwych topoizomerów DNA najbardziej powszechną konformacją jest superzwiesienie, które jest bardzo zwarte. Jednak podwójna helisa DNA musi być również rozwijana przez topoizomerazy podczas kilku procesów molekularnych.

Indeks

  • 1 Charakterystyka
    • 1.1 Mechanizm działania ogólnego
    • 1.2 Topoizomerazy i cykl komórkowy
  • 2 Funkcje
    • 2.1 Kompaktowe przechowywanie materiału genetycznego
    • 2.2 Dostęp do informacji genetycznej
    • 2.3 Regulacja ekspresji genów
    • 2.4 Szczególności topoizomerazy II
  • 3 Rodzaje topoizomeraz
    • 3.1-Topoizomerazy typu I
    • 3.2 -Topoizomerazy typu II
    • 3.3 - Ludzkie topoizomerazy
  • 4 Inhibitory topoizomerazy
    • 4.1-Topoizomerazy jako cel ataku chemicznego
    • 4.2-Rodzaje hamowania
    • 4.3 - Leki będące inhibitorami topoizomerazy
  • 5 referencji

Funkcje

Mechanizm działania ogólnego

Niektóre topoizomerazy mogą rozluźniać tylko negatywne superzłoczepy DNA lub oba superzłoczepy DNA: pozytywne i negatywne.

Jeśli kołowy dwuniciowy DNA jest rozwijany na swojej osi podłużnej i występuje zwrot w lewą stronę (zgodnie z ruchem wskazówek zegara), mówi się, że jest on superskręcany negatywnie. Jeśli obrót jest zgodny z ruchem wskazówek zegara (przeciwnie do ruchu wskazówek zegara), jest on dodatnio zwinięty.

Zasadniczo topoizomerazy mogą:

-Ułatwienie przejścia nici DNA przez cięcie na przeciwległej nici (topoizomeraza typu I).

-Ułatwienie przejścia kompletnej podwójnej helisy przez rozłam sam w sobie lub przez podział na inną, różną podwójną helisę (topoizomeraza typu II).

Podsumowując, topoizomerazy działają poprzez rozszczepianie wiązań fosfodiestrowych w jednej lub obu niciach tworzących DNA. Następnie zmodyfikuj stan zwijania pasm podwójnej helisy (topoizomerazy I) lub dwóch podwójnych helis (topoizomerazy II), aby w końcu powrócić do wiązania lub ligacji wyciętych końców.

Topoizomerazy i cykl komórkowy

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

Podczas gdy aktywność topoizomerazy II jest bardziej aktywna w fazie logarytmicznej wzrostu komórek iw komórkach szybko rosnących guzów.

Funkcje

Zmiana genów kodujących topoizomerazy jest śmiertelna dla komórek, co pokazuje znaczenie tych enzymów. Wśród procesów, w których uczestniczą topoizomerazy, są:

Kompaktowe przechowywanie materiału genetycznego

Topoizomerazy ułatwiają przechowywanie informacji genetycznej w zwarty sposób, ponieważ generują zwijanie DNA i superkręcenie, umożliwiając znalezienie dużej ilości informacji we względnie małej objętości.

Dostęp do informacji genetycznej

Gdyby nie było topoizomeraz i ich unikalnych cech, dostęp do informacji przechowywanych w DNA byłby niemożliwy. Dzieje się tak, ponieważ topoizomerazy okresowo uwalniają napięcie przez skręcanie, które jest generowane w podwójnej helisie DNA, podczas jej rozwijania, w procesach replikacji, transkrypcji i rekombinacji.

Jeśli napięcie wywołane skręcaniem podczas tych procesów nie zostanie uwolnione, może to spowodować wadliwą ekspresję genu, przerwanie kolistego DNA lub chromosomu, a nawet śmierć komórki.

Regulacja ekspresji genów

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

Zatem stan zwijania DNA, generowany przez działanie topoizomeraz, wpływa na regulację ekspresji genów.

Szczegóły topoizomerazy II

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

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

Rodzaje topoizomeraz

Istnieją dwa główne typy topoizomeraz w zależności od tego, czy są one zdolne do rozszczepienia jednej lub dwóch nici DNA.

-Topoizomerazy typu I

Monomeryczny                 

Topoizomerazy typu I są monomerami, które łagodzą negatywne i dodatnie superzwoje, które są wytwarzane przez ruch widelca 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 aktywnym miejscu

Topoizomeraza 1B (Top1B) składa się z 765 aminokwasów podzielonych na 4 określone domeny. Jedna z tych domen ma wysoce konserwowany obszar zawierający miejsce aktywne z tyrozyną (Tyr7233). Wszystkie topoizomerazy obecne w miejscu aktywnym są tyrozyną o zasadniczej roli w całym procesie katalitycznym.

Mechanizm działania

Tyrozyna z miejsca aktywnego tworzy wiązanie kowalencyjne z 3'-fosforanowym końcem nici DNA, odcinając ją i utrzymując ją przyczepioną do enzymu, jednocześnie przepuszczając inną nić DNA przez wycięcie.

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

Następnie topoizomeraza I powraca do swojej początkowej konformacji i ponownie wiąże wycięte końce. Dzieje się tak w wyniku procesu odwrotnego do zerwania 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. Wycięcie nici.
  2. Przejście drugiej nitki przez podział.
  3. Podwiązanie rozdwojonych końców.

-Topoizomerazy typu II

Diméricas

Topoizomerazy typu II są enzymami dimerycznymi, które rozszczepiają obie nici DNA, rozluźniając supersieci, które są generowane podczas transkrypcji i innych procesów komórkowych.

Mg Dependents++ i ATP

Enzymy te potrzebują magnezu (Mg++) i potrzebują także energii pochodzącej z rozpadu połączenia trifosforanu ATP, z którego korzystają dzięki ATPase.

Dwa aktywne miejsca z tyrozyną

Ludzkie topoizomerazy II są bardzo podobne do drożdży (Saccharomyces cerevisiae), który składa się z dwóch monomerów (subfragments A i B). Każdy monomer ma domenę ATPazy, aw subfragmentie miejsce aktywne tyrozyny 782, z którym DNA może się wiązać. Dlatego też dwie nici DNA można połączyć z topoizomerazą II.

Mechanizm działania

Mechanizm działania topoizomerazy II jest taki sam, jak opisany dla topoizomerazy I, biorąc pod uwagę, że dwa łańcuchy DNA są przecięte, a nie tylko jeden.

W miejscu aktywnym topoizomerazy II stabilizowany jest fragment białka (przez wiązanie kowalencyjne z tyrozyną). podwójna helisa DNA, zwany „fragmentem G”. Ten fragment jest cięty i utrzymywany w miejscu aktywnym przez wiązania kowalencyjne.

Następnie enzym umożliwia przejście przez fragment „G” innego fragmentu DNA, zwanego „fragmentem T”, dzięki zmianie konformacyjnej enzymu, która zależy od hydrolizy ATP.

Topoizomeraza II wiąże dwa końce „fragmentu G” i ostatecznie odzyskuje swój stan początkowy, uwalniając fragment „G”. Następnie DNA rozluźnia napięcie skrętne, umożliwiając procesy replikacji i transkrypcji.

-Ludzkie topoizomerazy

Ludzki genom ma pięć topoizomeraz: top1, top3α, top3β (typu I); i top2α, top2β (typu II). Najbardziej odpowiednimi 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 dobrymi celami ataku, które wpływają na komórki złośliwe. W tym celu topoizomerazy są uważane za ważne w leczeniu wielu chorób ludzkich.

Leki, które oddziałują z topoizomerazami, są obecnie szeroko badane jako substancje chemioterapeutyczne przeciwko komórkom nowotworowym (w różnych organach ciała) i mikroorganizmom chorobotwórczym.

-Rodzaje hamowania

Leki hamujące aktywność topoizomerazy mogą:

  • Spożycie do DNA.
  • Wpływać na enzym topoizomerazy.
  • Przeplataj cząsteczki w pobliżu miejsca aktywnego enzymu, podczas gdy kompleks topoizomerazy DNA jest stabilizowany.

Stabilizacja przejściowego kompleksu, który powstaje przez wiązanie DNA z tyrozyną w miejscu katalitycznym enzymu, zapobiega zjednoczeniu wyciętych fragmentów, co może prowadzić do śmierci komórki.

-Inhibitory topoizomeraz

Wśród związków, które hamują topoizomerazy, są następujące.

Antybiotyki przeciwnowotworowe

Antybiotyki są stosowane przeciwko nowotworom, ponieważ zapobiegają wzrostowi komórek nowotworowych, zazwyczaj przez zakłócanie ich DNA. Są one często nazywane antybiotykami przeciwnowotworowymi (przeciw rakowi). Na przykład aktynomycyna D wpływa na topoizomerazę II i jest stosowana w guzach Wilmsa u dzieci i mięśniakomięsakach prążkowanych.

Antracykliny

Wśród antybiotyków antracykliny są najskuteczniejszymi lekami przeciwnowotworowymi i najszerszym spektrum. Są one stosowane w leczeniu raka płuc, jajników, macicy, żołądka, pęcherza moczowego, piersi, białaczki i chłoniaków. Wiadomo, że wpływa na topoizomerazę II przez interkalację w DNA.

Pierwsza antracyklina wyizolowana z bakterii promieniotwórczych (Streptomyces peucetius) był daunorubicyną. Następnie w laboratorium zsyntetyzowano doksorubicynę, a obecnie stosuje się epirubicynę i idarubicynę..

Antrachinony

Antrakinony lub antracenodiony są związkami pochodzącymi z antracenu, podobnymi do antracyklin, które wpływają na aktywność topoizomerazy II przez interkalację w DNA. Są one stosowane do przerzutowego raka piersi, chłoniaka nieziarniczego (NHL) i białaczki.

Leki te znaleziono w pigmentach niektórych owadów, roślin (frángula, senna, rabarbar), porostów i grzybów; jak również w hoelicie, która jest naturalnym minerałem. W zależności od dawki mogą być rakotwórcze.

Wśród tych związków mamy mitoksantron i jego analog losoksantronu. Zapobiegają proliferacji złośliwych komórek nowotworowych, wiążąc się nieodwracalnie z DNA.

Epidofilotoksyny

Podofilotoksyny, takie jak epidofilotoksyny (VP-16) i tenipozyd (VM-26), tworzą kompleks z topoizomerazą II. Stosuje się je między innymi w leczeniu raka płuc, jąder, białaczki, chłoniaków, raka jajnika, raka piersi i złośliwych nowotworów wewnątrzczaszkowych. Są izolowane z roślin Podophyllum notatum i P. peltatum.

Analogi kamptotecyn

Campotecyny są związkami hamującymi topoizomerazę I, wśród nich są irynotekan, topotekan i diflomotekan.

Związki te były stosowane przeciwko rakowi okrężnicy, płuc i piersi i są pozyskiwane naturalnie z kory i liści gatunków nadrzewnych Camptotheca acuminata chińskich brzoskwiń i Tybetu.

Naturalne zahamowanie

Strukturalne zmiany topoizomeraz I i II mogą również wystąpić całkowicie naturalnie. Może się to zdarzyć podczas niektórych zdarzeń, które wpływają na proces katalityczny.

Wśród tych zmian można wymienić tworzenie się dimerów pirymidynowych, niedopasowanie zasad azotowych i inne zdarzenia spowodowane stresem oksydacyjnym.

Referencje

  1. Anderson, H. i Roberge, M. (1992). Topoizomeraza DNA II: przegląd jej udziału w strukturze chromosomów, 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. i 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, S.C. F., i To, K. K.W. (2003). Leki 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, L. F. (2001). Śmierć komórek nowotworowych indukowana przez leki skierowane na topoizomerazę. Annual Review of Pharmacology and Toxicology, 41 (1): 53-77. doi: 10.1146 / annurev.pharmtox.41.1.53
  5. Liu, L. F. (1994). Topoizomerazy DNA: leki kierujące do topoizomerazy. Academic Press. str. 307
  6. Osheroff, N. i Bjornsti, M. (2001). Topoizomeraza DNA. Enzymologia i leki. Tom II. Humana Press. str. 329.
  7. Rothenberg, M. L. (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. [Plik wideo]. Pobrane z youtube.com