TOPOISOMERASER: EGENSKABER, FUNKTIONER, TYPER OG HÆMMERE - BIOLOGI - 2025

De topoisomeraser er enzymer isomeraser en type af modificerende topologien af deoxyribonukleinsyre (DNA), genererer både dens afvikling og supercoiling som dens krøller.

Disse enzymer har en specifik rolle i lindring af torsionsstress på DNA, så vigtige processer såsom replikering, transkription af DNA i messenger ribonucleic acid (mRNA) og rekombination af DNA kan forekomme.

Figur 1. Topoisomerase II. Kilde: Emw, fra Wikimedia Commons

Topoisomerase-enzymer er til stede i både eukaryote og prokaryote celler. Dets eksistens blev forudsagt af forskerne Watson og Crick, når de vurderede de begrænsninger, som strukturen af ​​DNA præsenterede for at give adgang til dens oplysninger (gemt i dens nukleotidsekvens).

For at forstå topoisomerases funktioner skal det overvejes, at DNA har en stabil dobbelt-helix-struktur, med dens strenge viklet den ene over den anden.

Disse lineære kæder er sammensat af 2-deoxyribose forbundet med 5'-3 'phosphodiesterbindinger og nitrogenholdige baser inden i, ligesom trinnene i en vindeltrappe.

Figur 2. DNA-molekyle. Kilde:

Den topologiske undersøgelse af DNA-molekyler har vist, at de kan antage forskellige konformationer afhængigt af deres torsionsspænding: fra en afslappet tilstand til forskellige spiraltilstande, der tillader deres komprimering.

DNA-molekyler med forskellige konformationer kaldes topoisomerer. Således kan vi konkludere, at topoisomeraser I og II kan forøge eller mindske torsionsstresset af DNA-molekyler og danne deres forskellige topoisomerer.

Blandt de mulige DNA-topoisomerer er den mest almindelige konformation superspolen, som er meget kompakt. Imidlertid skal DNA-dobbelthelix også afvikles af topoisomeraser under forskellige molekylære processer.

egenskaber

Generel handlingsmekanisme

Nogle topoisomeraser kan kun slappe af negative supercoils af DNA eller begge supercoils af DNA: positive og negative.

Hvis det cirkulære dobbeltstrengede DNA afvikles på sin lange akse, og en venstrehånds drejning (med uret) forekommer, siges det, at den er negativt supercoiled. Hvis drejen er med uret (mod uret), overbelastes den positivt.

Figur 3. Negativt supercoiled, afslappet og positivt supercoiled cirkulært dobbeltstrenget DNA. Kilde: Fdardel, fra Wikimedia Commons

Grundlæggende kan topoisomeraser:

-Faciliterer passagen af ​​en DNA-streng gennem et snit i den modsatte streng (type I topoisomerase).

-Facilitere passagen af ​​en komplet dobbelt helix gennem en spaltning selv eller gennem en spaltning i en anden anden dobbelt helix (type II topoisomerase).

I resumé virker topoisomeraser gennem spaltning af phosphodiesterbindinger, i en eller i begge strenge, der udgør DNA. Derefter ændrer de spiralformede tilstand for strengene af en dobbelt helix (topoisomerase I) eller af to dobbelt helixer (topoisomerase II) for endelig at binde eller binde de spaltede ender igen.

Topoisomeraser og cellecyklussen

Selvom topoisomerase I er et enzym, der udviser højere aktivitet under S-fasen (DNA-syntese), betragtes den ikke som afhængig af en fase i cellecyklussen.

Mens topoisomerase II-aktivitet er mere aktiv i den logaritmiske fase af cellevækst og i celler fra hurtigtvoksende tumorer.

Funktioner

Ændringen af ​​generne, der koder for topoisomeraser, er dødelige for celler, hvilket viser betydningen af ​​disse enzymer. Blandt de processer, hvor topoisomeraser deltager, er:

Kompakt opbevaring af genetisk materiale

Topoisomeraser letter lagring af genetisk information på en kompakt måde, fordi de genererer opspolning og supercoiling af DNA, hvilket gør det muligt at finde en stor mængde information i et relativt lille volumen.

Adgang til genetisk information

Uden topoisomeraser og deres unikke egenskaber ville adgang til information, der er lagret i DNA, være umulig. Dette skyldes det faktum, at topoisomeraser med jævne mellemrum frigiver torsionsspændingen, der genereres i DNA-dobbelthelixen under dens afvikling, i processerne med replikation, transkription og rekombination.

Figur 4. DNA-replikation. Se topoisomerase i begyndelsen af ​​DNA-hårnålen. Kilde: LadyofHats oversat af Miguelsierra, via Wikimedia Commons

Hvis torsionsstressen, der genereres under disse processer, ikke frigives, kan der forekomme mangelfuld genekspression, afbrydelse af det cirkulære DNA eller kromosom, endog producere celledød.

Regulering af genekspression

Konformationelle ændringer (i den tredimensionelle struktur) af DNA-molekylet udsætter specifikke regioner for ydersiden, som kan interagere med DNA-bindende proteiner. Disse proteiner har en regulerende funktion af genekspression (positiv eller negativ).

Figur 5. Regulerende protein til genekspression, i dette tilfælde forhindrer det ekspression af visse gener. Zephyris på den engelske sprog Wikipedia

Således påvirker coiling-tilstanden af ​​DNA, der genereres ved virkningen af ​​topoisomeraser, reguleringen af ​​genekspression.

Specificiteter ved topoisomerase II

Topoisomerase II er nødvendig til samlingen af ​​kromatider, kondensation og dekondensering af kromosomer og adskillelse af datter-DNA-molekyler under mitose.

Dette enzym er også et strukturelt protein og en af ​​hovedbestanddelene i cellekernematrixen under interfase.

Typer af topoisomeraser

Der er to hovedtyper af topoisomeraser afhængigt af om de er i stand til at spalte en eller to DNA-strenge.

-Topoisomeraser type I

monomere

Topoisomeraser af type I er monomerer, der lindrer negative og positive superspiraler, der produceres ved hårnålsbevægelse under transkription og under replikationsprocesser og genrekombination.

Topoisomeraser af type I kan opdeles i type 1A og type 1B. Sidstnævnte er dem, der findes hos mennesker, og de er ansvarlige for afslappende supercoiled DNA.

Tyrosine på sit aktive sted

Topoisomerase 1B (Top1B) består af 765 aminosyrer opdelt i 4 specifikke domæner. Et af disse domæner har et stærkt konserveret område, der indeholder det tyrosinaktive sted (Tyr7233). Alle topoisomeraser præsenterer en tyrosin på deres aktive sted med en grundlæggende rolle i hele den katalytiske proces.

Handlingsmekanisme

Det aktive sted tyrosin danner en kovalent binding med 3'-phosphatenden af ​​DNA-strengen, skærer den og holder den bundet til enzymet, medens en anden DNA-streng passerer gennem spaltningen.

Passagen af ​​den anden DNA-streng gennem den splittede streng opnås takket være en konformationel transformation af enzymet, der frembringer åbningen af ​​DNA-dobbelt helix.

Derefter vender topoisomerase I tilbage til dens oprindelige konformation og binder de spaltede ender igen. Dette sker ved en proces, der er omvendt til nedbrydningen af ​​DNA-kæden, på enzymets katalytiske sted. Endelig frigiver topoisomerase DNA-strengen.

Hastigheden af ​​DNA-ligering er højere end ekscisionshastigheden, hvilket sikrer molekylets stabilitet og genomets integritet.

I sammendraget katalyserer type I topoisomerase:

1. Spaltning af en streng.
2. Passagen af ​​den anden streng gennem spaltningen.
3. Ligering af de spaltede ender.

-Type II topoisomeraser

dimerisk

Topoisomeraser af type II er dimere enzymer, som spalter begge DNA-strenge, hvilket således lemper de superspiraler, der genereres under transkription og andre cellulære processer.

Mg afhængig

Disse enzymer har brug for magnesium (Mg ⁺⁺) og har også brug for den energi, der stammer fra at bryde ATP-triphosphatbindingen, som de drager fordel af takket være en ATPase.

To aktive steder med tyrosin

Humane topoisomeraser II ligner meget gæren (Saccharomyces cerevisiae), der består af to monomerer (underfragmenter A og B). Hver monomer har et ATPase-domæne og i et underfragment det aktive sted tyrosin 782, hvortil DNA kan binde. To DNA-strenge kan således binde til topoisomerase II.

Handlingsmekanisme

Mekanismen for virkning af topoisomerase II er den samme som beskrevet for topoisomerase I, i betragtning af at to DNA-strenge er delt og ikke kun en.

På det aktive sted for topoisomerase II stabiliseres et dobbelt-helix-fragment af DNA, kaldet “fragment G” (gennem kovalent binding med tyrosin). Dette fragment udskæres og holdes sammen til det aktive sted ved kovalente bindinger.

Enzymet tillader derefter et andet DNA-fragment, kaldet "T-fragmentet", at passere gennem det spaltede fragment "G" takket være en konformationel ændring i enzymet, som er afhængig af hydrolysen af ​​ATP.

Topoisomerase II binder de to ender af "G-fragmentet" og genvinder til sidst dens oprindelige tilstand og frigiver "G" -fragmentet. DNA slapper derefter af torsionsstresset, hvilket tillader replikation og transkription.

-Menneskelige topoisomeraser

Det humane genom har fem topoisomeraser: top1, top3a, top3β (type I); og top2a, top2p (af type II). De mest relevante humane topoisomeraser er top1 (type IB topoisomerase) og 2a (type II topoisomerase).

Topoisomeraseinhibitorer

-Topoisomeraser som et mål for kemisk angreb

Fordi processerne katalyseret af topoisomeraser er nødvendige for overlevelse af celler, er disse enzymer et godt angrebsmål for at påvirke ondartede celler. Af denne grund betragtes topoisomeraser som vigtige i behandlingen af ​​mange menneskelige sygdomme.

Lægemidler, der interagerer med topoisomeraser, studeres i øjeblikket vidt som kemoterapeutiske stoffer mod kræftceller (i forskellige organer i kroppen) og patogene mikroorganismer.

-Hæmningstyper

Lægemidler, der hæmmer topoisomeraseaktivitet, kan:

• Sandwiched i DNA.
• Påvirke enzymet topoisomerase.
• Interkalat i et molekyle tæt på det aktive sted af enzymet, mens DNA-topoisomerase-komplekset er stabiliseret.

Stabilisering af det kortvarige kompleks, der dannes ved binding af DNA til tyrosinet i enzymet katalytiske sted, forhindrer binding af spaltede fragmenter, hvilket kan føre til celledød.

-Topoisomeraseinhibitorer

Blandt forbindelserne, der inhiberer topoisomeraser, er følgende.

Antitumorantibiotika

Antibiotika anvendes mod kræft, da de forhindrer vækst af tumorceller, som regel forstyrrer deres DNA. Disse kaldes ofte antineoplastiske (kræft) antibiotika. Actinomycin D påvirker for eksempel topoisomerase II og bruges i Wilms tumorer hos børn og rhabdomyosarkomer.

antracykliner

Antracykliner er blandt antibiotika, et af de mest effektive kræftdæmpende stoffer og med det bredeste spektrum. De bruges til behandling af kræft i lungerne, æggestokkene, livmoderen, mave, blære, bryst, leukæmi og lymfomer. Det er kendt at påvirke topoisomerase II ved intercalation i DNA.

Den første anthracyclin isoleret fra en actinobacteria (Streptomyces peucetius) var daunorubicin. Derefter blev doxorubicin syntetiseret i laboratoriet, og epirubicin og idarubicin anvendes også i dag.

anthraquinoner

Anthraquinoner eller anthracenedioner er forbindelser afledt af anthracen svarende til anthracycliner, der påvirker topoisomerase II-aktivitet ved interkalkation i DNA. De bruges til metastatisk brystkræft, ikke-Hodgkins lymfom (NHL) og leukæmi.

Disse stoffer blev fundet i pigmenter fra nogle insekter, planter (frangula, senna, rabarber), lav og svampe; såvel som i hoelit, som er et naturligt mineral. Afhængig af din dosis kan de være kræftfremkaldende.

Blandt disse forbindelser har vi mitoxantron og dets analoge, losoxantron. Disse forhindrer spredning af ondartede tumorceller, der binder sig til DNA uigenkaldeligt.

Epidophyllotoxins

Podophyllotoxiner, såsom epidophyllotoxins (VP-16) og teniposid (VM-26), danner et kompleks med topoisomerase II. De bruges mod lungekræft, testikel, leukæmi, lymfomer, æggestokkræft, brystkarcinom og ondartede intrakranielle tumorer, blandt andre. Podophyllum notatum og P. peltatum er isoleret fra planter.

Camptothecin-analoger

Campotheciner er forbindelser, der inhiberer topoisomerase I, herunder irinotecan, topotecan og diflomotecan.

Disse forbindelser er blevet anvendt mod kræft i tyktarmer, lunger og bryst og fås naturligt fra bark og blade fra den arboreale art Camptotheca acuminata fra de kinesiske og tibetiske corneaceas.

Naturlig hæmning

Strukturelle ændringer af topoisomeraser I og II kan også forekomme helt naturligt. Dette kan ske under nogle begivenheder, der påvirker din katalytiske proces.

Disse ændringer inkluderer dannelse af pyrimidindimerer, kvælstofbase-uoverensstemmelser og andre begivenheder forårsaget af oxidativ stress.

Referencer

1. Anderson, H., & Roberge, M. (1992). DNA topoisomerase II: En gennemgang af dets engagement i kromosomstruktur, DNA-replikation, transkription og mitose. Cell Biology International Reports, 16 (8): 717–724. doi: 10.1016 / s0309-1651 (05) 80016-5
2. Chhatriwala, H., Jafri, N., & Salgia, R. (2006). En gennemgang af topoisomerase-hæmning i lungekræft. Cancer Biology & Therapy, 5 (12): 1600-1607. doi: 10.4161 / cbt.5.12.3546
3. Ho, Y.-P., Au-Yeung, SCF, & To, KKW (2003). Platinbaserede anticancer-midler: Innovative designstrategier og biologiske perspektiver. Medicinal Research Reviews, 23 (5): 633–655. doi: 10.1002 / med.10038
4. Li, T.-K., & Liu, LF (2001). Tumorcelledød induceret af topoisomerase-målrettende medikamenter. Årlig gennemgang af farmakologi og toksikologi, 41 (1): 53–77. doi: 10.1146 / annurev.pharmtox.41.1.53
5. Liu, LF (1994). DNA-topoisomeraser: Topoisomerase-målrettede medikamenter. Academic Press. s. 307
6. Osheroff, N. og Bjornsti, M. (2001). DNA-topoisomerase. Enzymologi og stoffer. Bind II. Humana Press. s. 329.
7. Rothenberg, ML (1997). Topoisomerase I-hæmmere: Gennemgå og opdater. Annals of Oncology, 8 (9), 837–855. doi: 10.1023 / a: 1008270717294
8. Ryan B. (2009, 14. december). Topoisomerase 1 og 2. Gendannes fra youtube.com