Karakteristiske topoisomeraser, funktioner, typer og hæmmere

1130
David Holt

Det topoisomeraser De er en type isomeraseenzymer, der ændrer topologien for deoxyribonukleinsyre (DNA), hvilket genererer både dens afvikling og dens vikling og supercoiling.

Disse enzymer har en specifik rolle i at lindre torsionsstress i DNA, så vigtige processer såsom replikation, transkription af DNA i messenger ribonukleinsyre (mRNA) og rekombination af DNA kan forekomme..

Figur 1. Topoisomerase II. Kilde: Emw [CC BY-SA 3.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0) eller GFDL (http://www.gnu.org/copyleft/fdl.html)], fra Wikimedia Commons

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

For at forstå topoisomerasernes funktioner skal DNA anses for at have en stabil dobbelt-helix-struktur med dens tråde viklet over hinanden..

Disse lineære kæder består af 2-deoxyribose bundet af 5'-3 'phosphodiesterbindinger og nitrogenholdige baser inde i dem, ligesom trinene i en vindeltrappe..

Figur 2. DNA-molekyle. Kilde: https://es.m.wikipedia.org/wiki/Archivo:3DScience_DNA_structure_labeled_a.jpg

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

DNA-molekyler med forskellige konformationer kaldes topoisomerer. Således kan vi konkludere, at topoisomeraser I og II kan øge eller mindske torsionsspændingen 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-dobbelthelixen også vikles af topoisomeraser under forskellige molekylære processer..

Artikelindeks

  • 1 Funktioner
    • 1.1 Generel handlingsmekanisme
    • 1.2 Topoisomeraser og cellecyklussen
  • 2 funktioner
    • 2.1 Kompakt opbevaring af genetisk materiale
    • 2.2 Adgang til genetisk information
    • 2.3 Regulering af genekspression
    • 2.4 Særlige egenskaber ved topoisomerase II
  • 3 typer topoisomeraser
    • 3.1 -Topoisomeraser type I
    • 3.2 -Topoisomeraser type II
    • 3.3 -Humane topoisomeraser
  • 4 Topoisomerasehæmmere
    • 4.1 -Topoisomeraser som mål for kemisk angreb
    • 4.2 -Typer af hæmning
    • 4.3 - Topoisomerase-hæmmerlægemidler
  • 5 Referencer

Egenskaber

Generel handlingsmekanisme

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

Hvis det cirkulære dobbeltstrengede DNA vikles ud på sin længdeakse, og der opstår en drejning til venstre (med uret), siges det at være negativt supercoiled. Hvis drejningen er med uret (mod uret), er den positivt overviklet.

Figur 3. Negativt supercoiled, afslappet og positivt supercoiled cirkulært dobbeltstrenget DNA. Kilde: Fdardel [CC BY-SA 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0)], fra Wikimedia Commons

Dybest set kan topoisomeraser:

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

-Gør det lettere at passere en komplet dobbelt helix gennem en spaltning eller gennem en spaltning i en anden dobbelt helix (type II topoisomerase).

Sammenfattende virker topoisomeraser gennem spaltning af phosphodiesterbindinger i en eller begge tråde, der udgør DNA. Derefter ændrer de viklingstilstanden på strengene af en dobbelt helix (topoisomerase I) eller af to dobbelte helices (topoisomerase II) for til sidst at binde eller binde de spaltede ender igen.

Topoisomeraser og cellecyklussen

Selvom topoisomerase I er et enzym, der udviser større aktivitet under S-fase (DNA-syntese), anses den ikke for at være afhængig af en fase af cellecyklussen.

Mens topoisomerase II-aktivitet er mest aktiv under den logaritmiske fase af cellevækst og i celler i hurtigt voksende tumorer.

Funktioner

Ændringen af ​​de gener, der koder for topoisomeraser, er dødelig for celler, hvilket viser betydningen af ​​disse enzymer. Blandt de processer, som topoisomeraser deltager i, er:

Kompakt opbevaring af genetisk materiale

Topoisomeraser letter lagring af genetisk information på en kompakt måde på grund af det faktum, at de genererer coiling 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 de oplysninger, 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 replikations-, transkriptions- og rekombinationsprocesserne..

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

Hvis torsionsspændingen, der genereres under disse processer, ikke frigøres, kan der opstå en defekt genekspression, afbrydelsen af ​​det cirkulære DNA eller kromosom, der endda producerer celledød.

Regulering af genekspression

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

Figur 5. Regulerende protein fra genekspression, i dette tilfælde forhindrer det ekspression af visse gener. Zephyris på engelsksprogede Wikipedia [GFDL (http://www.gnu.org/copyleft/fdl.html) eller CC-BY-SA-3.0 (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/ )]

Således påvirker DNA's oprullede tilstand, genereret ved virkningen af ​​topoisomeraser, reguleringen af ​​genekspression.

Særlige egenskaber ved topoisomerase II

Topoisomerase II er nødvendig til samling af kromatider, kondensering 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-tråde.

-Type I topoisomeraser

Monomerisk                 

Type I topoisomeraser er monomerer, der lindrer negative og positive superspoler, der produceres ved hårnålsbevægelse under transkription og under genreplikations- og rekombinationsprocesser..

Type I topoisomeraser kan opdeles i type 1A og type 1B. Sidstnævnte er dem, der findes hos mennesker, og er ansvarlige for at slappe af supercoiled DNA.

Tyrosin på sit aktive sted

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

Handlingsmekanisme

Tyrosin på det aktive sted danner en kovalent binding med 3'-phosphatenden af ​​DNA-strengen, skærer den og holder den bundet til enzymet, mens den fører en anden DNA-streng gennem spaltningen.

Passagen af ​​den anden DNA-streng gennem den delte streng opnås takket være en konformationel transformation af enzymet, som producerer åbningen af ​​DNA-dobbelthelixen..

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

DNA-ligationshastigheden er højere end excisionshastigheden, hvorved molekylets stabilitet og genomets integritet sikres..

Sammenfattende 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

Dimeric

Type II topoisomeraser er dimere enzymer, der spalter begge DNA-tråde og dermed slapper af superspoler, der genereres under transkription og andre cellulære processer.

Mg afhængig++ og ATP

Disse enzymer har brug for magnesium (Mg++) og har også brug for den energi, der kommer fra nedbrydningen af ​​ATP-trifosfatbinding, som de drager fordel af takket være en ATPase.

To aktive steder med tyrosin

Humane topoisomeraser II ligner meget gærens (Saccharomyces cerevisiae), som består af to monomerer (underfragment A og B). Hver monomer har et ATPase-domæne og i et underfragment det aktive sted tyrosin 782, hvortil DNA kan binde. Således kan to DNA-tråde binde til topoisomerase II..

Handlingsmekanisme

Virkningsmekanismen for topoisomerase II er den samme som den, der er beskrevet for topoisomerase I, i betragtning af at to DNA-tråde er delt og ikke kun en..

På det aktive sted for topoisomerase II er et fragment af dobbelt helix af DNA, kaldet "fragment G". Dette fragment udskæres og holdes sammen til det aktive sted ved kovalente bindinger..

Derefter tillader enzymet et andet DNA-fragment, kaldet "T-fragment", at passere gennem det spaltede fragment "G" takket være en konformationsændring af enzymet, som er afhængig af hydrolysen af ​​ATP.

Topoisomerase II binder de to ender af "G-fragmentet" og gendanner endelig sin oprindelige tilstand og frigiver "G" -fragmentet. DNA'et slapper derefter af torsionsspændingen, så replikations- og transkriptionsprocesserne kan forekomme..

-Humane topoisomeraser

Det humane genom har fem topoisomeraser: top1, top3α, top3β (af type I); og top2α, top2β (af type II). De mest relevante humane topoisomeraser er top1 (type IB topoisomerase) og 2α (type II topoisomerase).

Topoisomerasehæmmere

-Topoisomeraser som et mål for kemisk angreb

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

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

-Typer af hæmning

Lægemidler, der hæmmer topoisomeraseaktivitet, kan:

  • Sandwichet ind i DNA.
  • Påvirker enzymet topoisomerase.
  • Interkaleres i et molekyle tæt på enzymets aktive sted, mens DNA-topoisomerase-komplekset er stabiliseret.

Stabilisering af det forbigående kompleks, der dannes ved binding af DNA til tyrosinet på enzymets katalytiske sted, forhindrer binding af de spaltede fragmenter, hvilket kan føre til celledød.

-Topoisomerasehæmmende lægemidler

Forbindelser, der inhiberer topoisomeraser, inkluderer følgende.

Antitumorantibiotika

Antibiotika anvendes mod kræft, da de forhindrer tumorceller i at vokse, normalt ved at forstyrre deres DNA. Disse kaldes ofte antineoplastiske (kræft) antibiotika. Actinomycin D påvirker for eksempel topoisomerase II og anvendes i Wilms-tumorer hos børn og rabdomyosarkomer.

Anthracyclines

Antracykliner er blandt antibiotikerne et af de mest effektive lægemidler mod kræft og med det bredeste spektrum. De bruges til behandling af lungekræft, æggestokke, livmoder, mave, blære, bryst, leukæmi og lymfomer. Det vides at påvirke topoisomerase II ved interkalering i DNA.

Den første antracyclin isoleret fra en actinobakterie (Streptomyces peucetius) var daunorubicin. Senere blev doxorubicin syntetiseret i laboratoriet, og i øjeblikket anvendes også epirubicin og idarubicin.

Anthraquinones

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

Disse lægemidler blev fundet i pigmenterne på nogle insekter, planter (frangula, senna, rabarber), lav og svampe; samt hoelit, som er et naturligt mineral. Afhængigt af din dosis kan de være kræftfremkaldende.

Blandt disse forbindelser har vi mitoxantron og dets analog, losoxantron. Disse forhindrer spredning af maligne tumorceller, der binder sig til DNA irreversibelt.

Epidophyllotoksiner

Podofyllotoksiner, såsom epidophyllotoksiner (VP-16) og teniposid (VM-26), danner et kompleks med topoisomerase II. De anvendes blandt andet mod lungekræft, testikel, leukæmi, lymfomer, ovariecancer, brystcarcinom og ondartede intrakranielle tumorer. De er isoleret fra planter Podophyllum notatum Y P. peltatum.

Camptothecin-analoger

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

Disse forbindelser er blevet anvendt mod tyktarms-, lunge- og brystkræft og fås naturligt fra bark og blade fra den arborale art. Camptotheca acuminata af de kinesiske corniceas og Tibet.

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 dannelsen af ​​pyrimidindimerer, kvælstofbasefejltilpasninger og andre hændelser forårsaget af oxidativ stress..

Referencer

  1. Anderson, H., & Roberge, M. (1992). DNA-topoisomerase II: En gennemgang af dets involvering i kromosomstruktur, DNA-replikation, transkription og mitose. Internationale cellebiologiske rapporter, 16 (8): 717-724. doi: 10.1016 / s0309-1651 (05) 80016-5
  2. Chhatriwala, H., Jafri, N., & Salgia, R. (2006). En gennemgang af topoisomerasehæmning i lungekræft. Kræftbiologi og -terapi, 5 (12): 1600-1607. doi: 10.4161 / cbt.5.12.3546
  3. Ho, Y.-P., Au-Yeung, S. C. F., & To, K. K. W. (2003). Platinbaserede anticancermidler: Innovative designstrategier og biologiske perspektiver. Medicinal Research Reviews, 23 (5): 633-655. doi: 10.1002 / med.10038
  4. Li, T.-K., & Liu, L. F. (2001). Tumorcelledød induceret af topoisomerase-målrettede lægemidler. Årlig gennemgang af farmakologi og toksikologi, 41 (1): 53-77. doi: 10.1146 / annurev.pharmtox.41.1.53
  5. Liu, L. F. (1994). DNA Topoisomerases: Topoisomerase-Targeting Drugs. Akademisk presse. s. 307
  6. Osheroff, N. og Bjornsti, M. (2001). DNA-topoisomerase. Enzymologi og stoffer. Bind II. Humana Press. s. 329.
  7. Rothenberg, M. L. (1997). Topoisomerase I-hæmmere: Gennemgang og opdatering. Annals of Oncology, 8 (9), 837-855. doi: 10.1023 / a: 1008270717294
  8. Ryan B. (2009, 14. december). Topoisomerase 1 og 2. [Videofil]. Gendannet fra youtube.com

Endnu ingen kommentarer