Topoisomeraser egenskaber, funktioner, typer og inhibitorer



den topoisomeraser er en type af isomeraseenzymer, der modificerer topologi af deoxyribonukleinsyre (DNA), hvilket frembringer både dets afvikling som dets vikling og supercoiling.

Disse enzymer har en specifik rolle i lindring af torsionsspændingen i DNA, således at vigtige processer såsom replikation, transkription af DNA i messenger-ribonukleinsyre (mRNA) og rekombination af DNA kan forekomme..

Topoisomeraseenzymer 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 tillade adgang til dens information (lagret i dens nukleotidsekvens).

For at forstå topoisomerasernes funktioner skal det overvejes, at DNA'et har en stabil struktur af dobbelt helix, med dens kæder rullet over hinanden.

Disse lineære kæder udgøres af 2-deoxyribose forbundet med phosphodiesterbindinger 5'-3 'og nitrogenholdige baser i deres indre som et trin i en spireltrappe.

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

DNA molekyler med forskellige konformationer kaldes topoisomerer. Således kan vi konkludere, at topoisomererne I og II kan øge eller formindske torsionsspændingen af ​​DNA-molekylerne og danne deres forskellige topoisomerer.

Blandt de mulige DNA topoisomerer er den mest almindelige konformation supercoiling, hvilket er meget kompakt. Den dobbelte helix af DNA skal imidlertid også uncoiled af topoisomeraser under flere molekylære processer.

indeks

  • 1 kendetegn
    • 1.1 Mekanisme for generel indsats
    • 1.2 Topoisomeraser og cellecyklus
  • 2 funktioner
    • 2.1 Kompakt opbevaring af genetisk materiale
    • 2.2 Adgang til genetisk information
    • 2.3 Regulering af genekspression
    • 2.4 Særlige forhold af topoisomerase II
  • 3 Typer af topoisomeraser
    • 3.1-Topoisomerases type I
    • 3,2-topoisomeraser type II
    • 3.3 - Human topoisomeraser
  • 4 topoisomeraseinhibitorer
    • 4.1-Topoisomeraser som et mål for kemisk angreb
    • 4.2-typer inhibering
    • 4.3 - Topoisomerasehæmmende lægemidler
  • 5 referencer

funktioner

Mekanisme for generel handling

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

Hvis det cirkulære dobbeltstrengede DNA afvikles på sin længdeakse og en venstrehåndet sving forekommer (med uret), siges det at være supercoiled negativt. Hvis svinget er med uret (mod uret), er det positivt super-spiret.

Grundlæggende kan topoisomeraser:

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

-Forenkle gennemgangen af ​​en komplet dobbelt helix gennem en splittelse i sig selv eller gennem en splittelse i en anden anden dobbelt helix (topoisomerase type II).

Sammenfattende virker topoisomeraser gennem spaltning af phosphodiesterbindinger i en eller begge tråde, der udgør DNA'en. Dernæst modificere viklingstilstanden af ​​strengene i en dobbelt helix (topoisomerase I) eller to dobbelthjul (topoisomerase II) for endelig at vende tilbage til at binde eller ligere enderne udskåret.

Topoisomeraser og cellecyklus

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

Mens topoisomerase II-aktiviteten er mere aktiv i den logaritmiske fase af cellevækst og i cellerne i de hurtigt voksende tumorer.

funktioner

Ændringen af ​​generne, som koder for topoisomeraser, er dødelig for cellerne, hvilket viser betydningen af ​​disse enzymer. Blandt de processer, hvor topoisomeraser deltager, er:

Kompakt opbevaring af genetisk materiale

Topoisomeraser letter opbevaring af genetisk information på en kompakt måde, fordi de danner DNA-coilning og supercoiling, hvilket tillader, at en stor mængde information findes i et forholdsvis lille volumen.

Adgang til genetisk information

Hvis der ikke var nogen topoisomeraser og deres unikke egenskaber, ville det være umuligt at få adgang til de oplysninger, der er lagret i DNA'et. Dette skyldes, at topoisomeraserne periodisk frigiver spændingen ved vridning, der genereres i DNA's dobbelte helix under afviklingen i replikationsprocesserne, transkription og rekombination.

Hvis spændingen som følge af torsion frembragt under disse processer ikke frigives, kan den producere en defekt genekspression, afbrydelsen af ​​det cirkulære DNA eller kromosomet og endog producere celledød.

Regulering af genekspression

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

Således påvirker tilstanden af ​​DNA-vikling, der frembringes ved virkningen af ​​topoisomeraser, reguleringen af ​​genekspression.

Særlige forhold af topoisomerase II

Topoisomerase II er nødvendig til samling af kromatider, kondensation og dekondensation af kromosomer og adskillelse af datter-DNA-molekyler under mitose.

Dette enzym er også et strukturelt protein og en af ​​hovedkomponenterne i matrixen af ​​cellekernen under interfasen.

Typer af topoisomeraser

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

-Topoisomeraser type I

monomere                 

Type I topoisomeraser er monomerer, som lindrer negative og positive supercoils, som frembringes ved gaffelens bevægelse under transkription og under replikationsprocesserne og genrekombination.

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 det 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 højt konserveret område, der indeholder det aktive sted med tyrosin (Tyr7233). Alle topoisomeraser er på deres aktive site et tyrosin med en grundlæggende rolle i hele katalytiske processen.

Handlingsmekanisme

Tyrosin fra det aktive sted danner en kovalent binding med 3'-phosphatenden af ​​DNA-strengen, skærer den af ​​og holder den fastgjort til enzymet, mens den passerer en anden DNA-streng gennem excisionen.

Passagen af ​​den anden streng af DNA gennem den udskårne streng opnås takket være en konformationel omdannelse af enzymet, hvilket frembringer åbningen af ​​DNA-dobbelthelixen.

Så vender topoisomerasen I tilbage til sin oprindelige konformation og binder igen de udskårne ender. Dette sker ved en proces, der er omvendt til bruddet af DNA-kæden, i enzymets katalytiske sted. Endelig frigiver topoisomerasen DNA-strengen.

DNA-ligeringshastigheden er højere end excisionshastigheden, som sikrer stabiliteten af ​​molekylet og integriteten af ​​genomet.

Sammenfattende katalyserer topoisomerase type I:

  1. Excisionen af ​​en streng.
  2. Passagen af ​​den anden streng gennem splittelsen.
  3. Ligation af splittet ender.

-Topoisomeraser type II

dimerisk

Type II-topoisomeraser er dimeriske enzymer, der spalter begge DNA-tråde, således at de supercoils, der genereres under transkription og andre cellulære processer, afbrydes.

Mg Afhængige++ og ATP

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

To aktive steder med tyrosin

Humane topoisomeraser II ligner meget gærstoffet (Saccharomyces cerevisiae), som består af to monomerer (underfragmenter A og B). Hver monomer har et ATPase-domæne og i et subfragment det tyrosin-aktive sted 782, hvortil DNA'et kan binde. Derfor kan to tråde af DNA være forbundet 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-kæder er spaltet og ikke kun en.

I det aktive sted for topoisomerase II stabiliseres et fragment af proteinet (gennem kovalent binding med tyrosin). dobbelt helix af DNA, kaldet "fragment G". Dette fragment spaltes og holdes bundet til det aktive sted ved hjælp af kovalente bindinger.

Derefter giver enzymet et andet fragment af DNA, kaldet "T-fragment", for at passere gennem fragmentet "G" spaltet takket være en konformationel ændring af enzymet, som er afhængig af hydrolysen af ​​ATP.

Topoisomerase II binder de to ender af "fragmentet G" og endelig genopretter sin oprindelige tilstand, idet fragmentet "G" frigives. Derefter slapper DNA'et af torsionsspændingen, hvilket tillader replikationsprocesser og transkription.

-Human topoisomeraser

Det humane genom har fem topoisomeraser: top1, top3a, top3β (af type I); og top2a, top2β (af type II). De mest relevante humane topoisomeraser er top1 (topoisomerase type IB) og 2a (topoisomerase type II).

Topoisomeraseinhibitorer

-Topoisomeraser som et mål for kemisk angreb

Fordi processerne katalyseret af topoisomeraser er nødvendige for cellernes overlevelse, er disse enzymer gode mål for angreb for at påvirke de maligne celler. Til dette anses topoisomeraser for vigtige ved behandlingen af ​​mange humane sygdomme.

Lægemidler, som interagerer med topoisomerase i øjeblikket bredt undersøgt som kemoterapeutiske midler mod cancerceller (i forskellige organer i kroppen) og patogener.

-Typer af inhibering

Topoisomerase aktivitet hæmmende stoffer kan:

  • Indtagelse i DNA.
  • Påvirke topoisomeraseenzymet.
  • Interleave til et molekyle nær det aktive sted af enzymet, mens DNA-topoisomerasekomplekset er stabiliseret.

Stabiliseringen af ​​den forbigående kompleks dannet ved DNA-binding til tyrosin af det katalytiske sted i enzymet forhindrer binding af de spaltede fragmenter, som kan føre til celledød.

-Inhibitorer af topoisomeraser

Blandt forbindelserne, som inhiberer topoisomeraser, er følgende.

Antitumor antibiotika

Antibiotika anvendes mod kræft, da de forhindrer væksten af ​​tumorceller, normalt ved at forstyrre deres DNA. De kaldes ofte antineoplastiske antibiotika (mod kræft). Actinomycin D påvirker for eksempel topoisomerase II og anvendes i Wilms tumorer hos børn og i rhabdomyosarkom.

antracykliner

Anthracycliner er blandt de antibiotika de mest effektive kræftmidler og det bredeste spektrum. De bruges til behandling af lungekræft, æggestokke, livmoder, mave, blære, bryst, leukæmi og lymfomer. Det er kendt at påvirke topoisomerase II ved interkalering i DNA.

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

anthraquinon-

Anthraquinoner eller antracenedioner er forbindelser afledt anthracen ligner anthracycliner, der påvirker aktiviteten af ​​topoisomerase II ved interkalation i DNA. De bruges til metastatisk brystkræft, ikke-Hodgkins lymfom (NHL) og leukæmi.

Disse stoffer blev fundet i pigmenterne af nogle insekter, planter (frangula, senna, rabarber), lav og svampe; såvel som i hoelitaen, som er et naturligt mineral. Afhængigt af deres dosis kan de være kræftfremkaldende.

Blandt disse forbindelser har vi mitoxantron og dets analoge losoxantron. Disse forhindrer proliferationen af ​​maligne tumorceller, der binder irreversibelt til DNA.

epipodophyllotoksiner

Podophyllotoxiner såsom epipodophyllotoksiner (VP-16) og teniposid (VM-26), danner et kompleks med topoisomerase II. De bruges mod blandt andet kræft i lunge-, testikel-, leukæmi-, lymfom-, ovariecancer-, brystcarcinom og maligne intrakraniale tumorer. De er isoleret fra planterne Podophyllum notatum og P. peltatum.

Camptothecin analoger

Campoteciner er forbindelser, som inhiberer topoisomerase I, og blandt dem er irinotecan, topotecan og diflomotecan.

Disse forbindelser er blevet anvendt mod colon, lunge og brystkræft og opnås naturligt fra bark og blade af de arter Camptotheca acuminata af kinesiske ferskner og Tibet.

Naturlig inhibering

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

Blandt disse ændringer kan vi nævne dannelsen af ​​pyrimidindimere, mismatcher af nitrogenholdige baser og andre begivenheder 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. 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 topoisomerasehæmning i lungekræft. Cancerbiology & Therapy, 5 (12): 1600-1607. doi: 10,4161 / cbt.5.12.3546
  3. Ho, Y.-P., Au-Yeung, S. 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). Tumorcelle død 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 Topoisomeraser: Topoisomerase-Targeting Drugs. Academic Press. s. 307
  6. Osheroff, N. og Bjornsti, M. (2001). DNA Topoisomerase. Enzymology and Drugs. Bind II Humana Press. s. 329.
  7. Rothenberg, M. L. (1997). Topoisomerase I-hæmmere: Gennemgå og opdatere. Annoncer af onkologi, 8 (9), 837-855. doi: 10,1023 / a: 1008270717294
  8. Ryan B. (2009, december 14). Topoisomerase 1 og 2. [Videofil]. Hentet fra youtube.com