TOPOIZOMERÁZY: CHARAKTERISTIKY, FUNKCIE, TYPY A INHIBÍTORY - BIOLÓGIE - 2025

Tieto topoizomerázy sú enzýmy izomerázy, typ modifikácie topológiu deoxyribonukleovej kyseliny (DNA), generovať ako jeho odvíjanie a nadšroubovicové vinutia ako jeho zvlnenie.

Tieto enzýmy majú špecifickú úlohu pri zmierňovaní torzného stresu na DNA, takže môžu dôjsť k dôležitým procesom, ako je jej replikácia, transkripcia DNA na messenger ribonukleovú kyselinu (mRNA) a rekombinácia DNA.

Obrázok 1. Topoizomeráza II. Zdroj: Emw, z Wikimedia Commons

Enzýmy topoizomerázy sú prítomné v eukaryotických aj prokaryotických bunkách. Jeho existenciu predpovedali vedci Watson a Crick pri hodnotení obmedzení, ktoré štruktúra DNA predstavuje, aby umožnila prístup k jej informáciám (uloženým v jej nukleotidovej sekvencii).

Na pochopenie funkcií topoizomeráz je potrebné vziať do úvahy, že DNA má stabilnú štruktúru s dvoma špirálovitými reťazcami, pričom jej vlákna sú navinuté nad sebou.

Tieto lineárne reťazce sú tvorené 2-deoxyribózou spojenou 5'-3 'fosfodiesterovými väzbami a dusíkatými bázami vo vnútri, ako sú priečky špirálového schodiska.

Obrázok 2. Molekula DNA. Zdroj: https://es.m.wikipedia.org/wiki/Archivo:3DScience_DNA_structure_labeled_a.jpg

Topologická štúdia molekúl DNA ukázala, že môžu predpokladať rôzne konformácie závislé od ich torzného napätia: od uvoľneného stavu po rôzne stavy navíjania, ktoré umožňujú ich zhutnenie.

DNA molekuly s rôznymi konformáciami sa nazývajú topoizoméry. Môžeme teda vyvodiť záver, že topoizomerázy I a II môžu zvyšovať alebo znižovať torzný stres molekúl DNA a vytvárať ich rôzne topoizoméry.

Z možných topoizomérov DNA je najbežnejšou konformáciou supercoil, ktorý je veľmi kompaktný. Avšak dvojitá špirála DNA musí byť uvoľnená topoizomerázami počas rôznych molekulárnych procesov.

vlastnosti

Všeobecný mechanizmus účinku

Niektoré topoizomerázy môžu relaxovať iba negatívne supercoily DNA alebo obe supercoily DNA: pozitívne a negatívne.

Ak je kruhová dvojreťazcová DNA odvíjaná na svojej pozdĺžnej osi a dôjde k odbočeniu vľavo (v smere hodinových ručičiek), hovorí sa, že je negatívna super cievka. Ak je odbočka v smere hodinových ručičiek (proti smeru hodinových ručičiek), je kladne zvinutá.

Obrázok 3. Negatívne supercoiled, uvoľnená a pozitívne supercoiled kruhová dvojreťazcová DNA. Zdroj: Fdardel, z Wikimedia Commons

Topoizomerázy môžu:

- Uľahčenie prechodu reťazca DNA rezom v opačnom reťazci (topoizomeráza typu I).

- Uľahčenie priechodu úplnej dvojitej špirály samotným štiepením alebo štiepením v inej odlišnej dvojitej špirále (topoizomeráza typu II).

Stručne povedané, topoizomerázy pôsobia prostredníctvom štiepenia fosfodiesterových väzieb v jednom alebo v obidvoch reťazcoch, ktoré tvoria DNA. Potom modifikujú stav navíjania prameňov dvojitej špirály (topoizomeráza I) alebo dvoch dvojitých špirál (topoizomeráza II), aby nakoniec rozštiepené konce opäť naviazali alebo zviazali.

Topoizomerázy a bunkový cyklus

Aj keď topoizomeráza I je enzým, ktorý vykazuje vyššiu aktivitu počas fázy S (syntéza DNA), nepovažuje sa za závislý od fázy bunkového cyklu.

Zatiaľ čo aktivita topoizomerázy II je aktívnejšia počas logaritmickej fázy bunkového rastu a v bunkách rýchlo rastúcich nádorov.

Vlastnosti

Zmena génov, ktoré kódujú topoizomerázy, je pre bunky letálna, čo dokazuje dôležitosť týchto enzýmov. Medzi procesy, na ktorých sa zúčastňujú topoizomerázy, patria:

Kompaktné skladovanie genetického materiálu

Topoizomerázy uľahčujú ukladanie genetických informácií kompaktným spôsobom, pretože vytvárajú zvinutie a supercoiling DNA, čo umožňuje nájsť veľké množstvo informácií v relatívne malom objeme.

Prístup k genetickým informáciám

Bez topoizomeráz a ich jedinečných vlastností by bol prístup k informáciám uloženým v DNA nemožný. Je to spôsobené skutočnosťou, že topoizomerázy periodicky uvoľňujú torzné napätie, ktoré sa vytvára v dvojitej špirále DNA, počas jej odvíjania, v procesoch replikácie, transkripcie a rekombinácie.

Obrázok 4. Replikácia DNA. Pozri topoizomerázu na začiatku vlásenky DNA. Zdroj: LadyofHats preložil Miguelsierra prostredníctvom Wikimedia Commons

Ak sa torzné napätie vznikajúce pri týchto procesoch neuvoľní, môže dôjsť k defektnej génovej expresii, prerušeniu cirkulárnej DNA alebo chromozómu, dokonca k produkcii bunkovej smrti.

Regulácia génovej expresie

Konformačné zmeny (v trojrozmernej štruktúre) molekuly DNA vystavujú špecifické oblasti zvonku, ktoré môžu interagovať s proteínmi viažucimi DNA. Tieto proteíny majú regulačnú funkciu génovej expresie (pozitívne alebo negatívne).

Obrázok 5. Regulačný proteín génovej expresie, v tomto prípade bráni expresii určitých génov. Zephyris na Wikipédii v anglickom jazyku

Stočený stav DNA generovaný pôsobením topoizomeráz teda ovplyvňuje reguláciu génovej expresie.

Zvláštnosti topoizomerázy II

Topoizomeráza II je nevyhnutná na zostavenie chromatidov, kondenzáciu a dekondenzáciu chromozómov a segregáciu dcérskych molekúl DNA počas mitózy.

Tento enzým je tiež štruktúrnym proteínom a jednou z hlavných zložiek matrixu jadra bunky počas interfázy.

Druhy topoizomeráz

Existujú dva hlavné typy topoizomeráz v závislosti od toho, či sú schopné štiepiť jeden alebo dva reťazce DNA.

-Opoizomerázy typu I

monomérne

Topoizomerázy typu I sú monoméry, ktoré zmierňujú negatívne a pozitívne supercoily, ktoré sú produkované vlásenkovým pohybom počas transkripcie a počas procesov replikácie a génovej rekombinácie.

Topoizomerázy typu I sa dajú rozdeliť na typ 1A a typ 1B. Posledne menované sú tie, ktoré sa vyskytujú u ľudí a sú zodpovedné za relaxáciu supercoiled DNA.

Tyrozín na svojom aktívnom mieste

Topoizomeráza 1B (Top1B) je tvorená 765 aminokyselinami rozdelenými do 4 špecifických domén. Jedna z týchto domén má vysoko konzervovanú oblasť obsahujúcu aktívne miesto tyrozínu (Tyr7233). Všetky topoizomerázy predstavujú tyrozín vo svojom aktívnom mieste so základnou úlohou v celom katalytickom procese.

Mechanizmus akcie

Tyrozín na aktívnom mieste tvorí kovalentnú väzbu s 3'-fosfátovým koncom reťazca DNA, ktorý ju rozštiepi a drží ju pripojenú k enzýmu, zatiaľ čo ďalšie vlákno DNA prechádza štiepením.

Priechod druhého vlákna DNA cez rozdelené vlákno sa dosiahne vďaka konformačnej transformácii enzýmu, ktorý vedie k otvoreniu dvojitej špirály DNA.

Potom sa topoizomeráza I vráti do svojej pôvodnej konformácie a znova sa viaže naštiepené konce. K tomu dochádza procesom inverzným k rozkladu reťazca DNA v katalytickom mieste enzýmu. Nakoniec topoizomeráza uvoľňuje vlákno DNA.

Rýchlosť ligácie DNA je vyššia ako rýchlosť excízie, čím sa zabezpečí stabilita molekuly a integrita genómu.

Stručne povedané, topoizomeráza typu I katalyzuje:

1. Štiepenie vlákna.
2. Prechod druhého vlákna štiepením.
3. Ligácia štiepených koncov.

-Type II topoizomerázy

dimerizovaných

Topoizomerázy typu II sú dimérne enzýmy, ktoré štiepia oba reťazce DNA, čím uvoľňujú supercoily, ktoré sa tvoria počas transkripcie a ďalších bunkových procesov.

Mg závisí

Tieto enzýmy potrebujú horčík (Mg ⁺⁺ ) a tiež potrebujú energiu, ktorá pochádza z prerušenia trifosfátovej väzby ATP, ktorú vďaka ATPáze využívajú.

Dve aktívne miesta s tyrozínom

Ľudské topoizomerázy II sú veľmi podobné ako v kvasinkách (Saccharomyces cerevisiae), ktoré sa skladajú z dvoch monomérov (podčasti A a B). Každý monomér má doménu ATPázy a v čiastočnom fragmente aktívne miesto tyrozínu 782, ku ktorému sa môže DNA viazať. Dva vlákna DNA sa teda môžu viazať na topoizomerázu II.

Mechanizmus akcie

Mechanizmus účinku topoizomerázy II je rovnaký ako mechanizmus opísaný pre topoizomerázu I, berúc do úvahy, že dva reťazce DNA sú rozdelené a nie iba jeden.

Na aktívnom mieste topoizomerázy II sa fragment s dvojitou špirálou DNA, nazývaný „fragment G“, stabilizuje (kovalentnou väzbou s tyrozínom). Tento fragment je vyrezaný a držaný pohromade k aktívnemu miestu pomocou kovalentných väzieb.

Enzým potom umožňuje ďalšiemu fragmentu DNA, ktorý sa nazýva „fragment T“, prejsť štiepeným fragmentom „G“, vďaka konformačnej zmene enzýmu, ktorá je závislá od hydrolýzy ATP.

Topoizomeráza II viaže dva konce "G fragmentu" a nakoniec obnovuje svoj pôvodný stav, pričom uvoľňuje "G" fragment. DNA potom uvoľňuje torzný stres, čo umožňuje replikáciu a transkripciu.

-Ľudské topoizomerázy

Ľudský genóm má päť topoizomeráz: top1, top3a, top3p (typ I); a top2a, top2p (typu II). Najdôležitejšie humánne topoizomerázy sú top1 (topoizomeráza typu IB) a 2a (topoizomeráza typu II).

Inhibítory topoizomerázy

-Topoizomerázy ako cieľ chemického ataku

Pretože procesy katalyzované topoizomerázami sú potrebné na prežitie buniek, tieto enzýmy sú dobrým cieľom útoku na ovplyvnenie malígnych buniek. Z tohto dôvodu sa topoizomerázy považujú za dôležité pri liečbe mnohých ľudských chorôb.

Liečivá, ktoré interagujú s topoizomerázami, sa v súčasnosti široko študujú ako chemoterapeutické látky proti rakovinovým bunkám (v rôznych orgánoch tela) a patogénnym mikroorganizmom.

- Typy inhibície

Lieky, ktoré inhibujú aktivitu topoizomerázy, môžu:

• Sendvič v DNA.
• Ovplyvňujú enzým topoizomerázu.
• Interkalujú sa v molekule blízko aktívneho miesta enzýmu, zatiaľ čo sa komplex DNA-topoizomeráza stabilizuje.

Stabilizácia prechodného komplexu, ktorý sa vytvára väzbou DNA na tyrozín katalytického miesta enzýmu, bráni väzbe štiepených fragmentov, čo môže viesť k smrti buniek.

-Topoizomerázové inhibítory

Medzi zlúčeninami, ktoré inhibujú topoizomerázy, sú nasledujúce.

Protinádorové antibiotiká

Antibiotiká sa používajú proti rakovine, pretože bránia rastu nádorových buniek a zvyčajne interferujú s ich DNA. Často sa nazývajú antineoplastické (rakovinové) antibiotiká. Napríklad aktinomycín D ovplyvňuje topoizomerázu II a používa sa pri Wilmsových nádoroch u detí a rabdomyosarkómov.

antracyklíny

Antracyklíny patria medzi antibiotiká, jedno z najúčinnejších protirakovinových liekov a majú najširšie spektrum. Používajú sa na liečbu rakoviny pľúc, vaječníkov, maternice, žalúdka, močového mechúra, prsníka, leukémie a lymfómov. Je známe, že ovplyvňuje topoizomerázu II interkaláciou v DNA.

Prvý antracyklín izolovaný z aktinobaktérií (Streptomyces peucetius) bol daunorubicín. Následne sa v laboratóriu syntetizoval doxorubicín a dnes sa používa aj epirubicín a idarubicín.

antrachinóny

Antrachinóny alebo antracéndióny sú zlúčeniny odvodené od antracénu podobné antracyklínom, ktoré ovplyvňujú aktivitu topoizomerázy II interkaláciou v DNA. Používajú sa na metastatický karcinóm prsníka, non-Hodgkinov lymfóm (NHL) a leukémiu.

Tieto lieky sa našli v pigmentoch niektorých druhov hmyzu, rastlín (frangula, senna, rebarbora), lišajníkov a húb; ako aj v hoelite, čo je prírodný minerál. V závislosti od vašej dávky môžu byť karcinogénne.

Medzi týmito zlúčeninami máme mitoxantrón a jeho analóg losoxantrón. Zabraňujú proliferácii malígnych nádorových buniek a nevratne sa viažu na DNA.

Epidophyllotoxins

Podofylotoxíny, ako sú epidofylotoxíny (VP-16) a teniposid (VM-26), tvoria komplex s topoizomerázou II. Používajú sa okrem iného proti rakovine pľúc, rakovine semenníkov, leukémii, lymfómom, rakovine vaječníkov, karcinómu prsníka a malígnym intrakraniálnym nádorom. Podophyllum notatum a P. peltatum sa izolujú z rastlín.

Analógy kamptotecínu

Campoteciny sú zlúčeniny, ktoré inhibujú topoizomerázu I, vrátane irinotekánu, topotekánu a diflomotekánu.

Tieto zlúčeniny sa používajú proti rakovine hrubého čreva, pľúc a prsníka a získavajú sa prirodzene z kôry a listov stromových druhov Camptotheca acuminata z čínskych a tibetských kornác.

Prirodzená inhibícia

Štrukturálne zmeny topoizomeráz I a II sa môžu vyskytovať úplne prirodzene. Môže sa to stať počas niektorých udalostí, ktoré ovplyvňujú váš katalytický proces.

Medzi tieto zmeny patrí tvorba pyrimidínových dimérov, nesúlad dusíkatých báz a ďalšie udalosti spôsobené oxidačným stresom.

Referencie

1. Anderson, H. a Roberge, M. (1992). DNA topoizomeráza II: Prehľad jej zapojenia do chromozómovej štruktúry, replikácie DNA, transkripcie a mitózy. Celí Biology International Reports, 16 (8): 717-724. doi: 10,0116 / s0309-1651 (05) 80016-5
2. Chhatriwala, H., Jafri, N., & Salgia, R. (2006). Prehľad inhibície topoizomerázy pri rakovine pľúc. Cancer Biology & Therapy, 5 (12): 1600-1607. doi: 10,4161 / cbt 5,12,3546
3. Ho, Y.-P., Au-Yeung, SCF & To, KKW (2003). Protirakovinové látky na báze platiny: Inovatívne stratégie a biologické perspektívy. Medicinal Research Reviews, 23 (5): 633 - 655. doi: 10 1002 / med. 10038
4. Li, T. - K. & Liu, LF (2001). Smrť nádorových buniek indukovaná liečivami zacielenými na topoizomerázu. Ročný prehľad farmakológie a toxikológie, 41 (1): 53–77. doi: 10,1146 / annurev.pharmtox.41.1.53
5. Liu, LF (1994). DNA topoizomerázy: liečivá zamerané na topoizomerázu. Academic Press. str. 307
6. Osheroff, N. a Bjornsti, M. (2001). DNA topoizomeráza. Enzymológia a drogy. Vol. II. Humana Press. str. 329.
7. Rothenberg, ML (1997). Inhibítory topoizomerázy I: prehľad a aktualizácia. Anals of Oncology, 8 (9), 837–855. doi: 10,1263 / a: 1008270717294
8. Ryan B. (2009, 14. decembra). Topoizomeráza 1 a 2 .. Obnovené z youtube.com