Топоизомеразни характеристики, функции, типове и инхибитори

на топоизомерази са вид изомеразни ензими, които модифицират топологията на дезоксирибонуклеиновата киселина (ДНК), генерирайки както неговото разгъване, така и неговото навиване и суперспиране.

Тези ензими имат специфична роля в облекчаването на торсионния стрес в ДНК, така че могат да възникнат важни процеси като неговата репликация, транскрипцията на ДНК в пратеник рибонуклеинова киселина (mRNA) и рекомбинацията на ДНК..

Ензимите на топоизомеразата присъстват както в еукариотни, така и в прокариотни клетки. Неговото съществуване е предсказано от учени Уотсън и Крик, когато се оценяват ограниченията, които ДНК структурата представя, за да позволи достъп до нейната информация (съхранена в нейната нуклеотидна последователност)..

За да се разберат функциите на топоизомеразите, трябва да се има предвид, че ДНК има стабилна структура с двойна спирала, чиито вериги са навити една върху друга..

Тези линейни вериги са съставени от 2-деоксирибоза, свързана с фосфодиестерни връзки 5'-3 ', и азотни бази в техния интериор, като стъпките на спираловидно стълбище..

Топологичното изследване на ДНК молекули показва, че те могат да приемат няколко конформации в зависимост от тяхното усукващо напрежение: от отпуснато състояние, до различни състояния на намотаване, които позволяват тяхното уплътняване..

ДНК молекулите с различни конформации се наричат ​​топоизомери. По този начин можем да заключим, че топоизомеразите I и II, могат да увеличат или намалят усукващото напрежение на ДНК молекулите, образувайки техните различни топоизомери..

Сред възможните ДНК топоизомери, най-често срещаната конформация е суперспирането, което е много компактно. Но двойната спирала на ДНК трябва да бъде разгъната от топоизомерази по време на няколко молекулни процеси.

индекс

• 1 Характеристики
  • 1.1 Механизъм на общото действие
  • 1.2 Топоизомерази и клетъчен цикъл
• 2 Функции
  • 2.1 Компактно съхранение на генетичен материал
  • 2.2 Достъп до генетична информация
  • 2.3 Регулиране на генната експресия
  • 2.4 Особености на топоизомераза II
• 3 Видове топоизомерази
  • 3.1-Топоизомерази тип I
  • 3.2 -Топоизомерази тип II
  • 3.3 - Човешки топоизомерази
• 4 Топоизомеразни инхибитори
  • 4.1-Топоизомерази като мишена за химическа атака
  • 4.2 Видове инхибиране
  • 4.3 - Инхибитори на топоизомераза
• 5 Препратки

функции

Механизъм на общото действие

Някои топоизомерази могат да отпуснат само отрицателни ДНК суперспирали, или и двете ДНК суперспирали: положителни и отрицателни.

Ако кръговата двойно-верижна ДНК се размотава по надлъжната си ос и се появява завой от лявата ръка (по посока на часовниковата стрелка), се казва, че е свръхсвързана отрицателно. Ако завойът е по посока на часовниковата стрелка (обратно на часовниковата стрелка), той е положително супер-навит.

По принцип топоизомеразите могат:

-Улесняване на преминаването на нишка от ДНК чрез разрез в противоположната верига (топоизомераза тип I).

-Улесняване на преминаването на пълна двойна спирала чрез разделяне само по себе си или чрез разделяне в друга различна двойна спирала (топоизомераза тип II).

В обобщение, топоизомеразите действат чрез разцепване на фосфодиестерни връзки, в една или в двете вериги, които съставляват ДНК. След това модифицирайте състоянието на навиване на нишките с двойна спирала (топоизомераза I) или две двойни спирали (топоизомераза II), за да се върнете най-накрая, за да свържете изрязаните краища.

Топоизомерази и клетъчен цикъл

Въпреки че топоизомераза I е ензим, който проявява по-голяма активност по време на S фазата (ДНК синтез), не се счита, че зависи от фаза на клетъчния цикъл..

Докато активността на топоизомераза II е по-активна по време на логаритмичната фаза на клетъчния растеж и в клетките на бързо нарастващите тумори.

функции

Промяната на гените, кодиращи топоизомеразите, е летална за клетките, което показва важността на тези ензими. Сред процесите, в които участват топоизомерази, са:

Компактно съхранение на генетичен материал

Топоизомеразите улесняват съхранението на генетична информация по компактен начин, тъй като те генерират ДНК навиване и суперспирализиране, позволявайки да се намери голямо количество информация в относително малък обем.

Достъп до генетична информация

Ако нямаше топоизомерази и техните уникални характеристики, би било невъзможно достъпът до информацията, съхранявана в ДНК. Това е така, защото топоизомеразите периодично освобождават напрежението чрез усукване, което се генерира в двойната спирала на ДНК, по време на неговото разгъване, в процесите на репликация, транскрипция и рекомбинация..

Ако напрежението, дължащо се на усукване, генерирано по време на тези процеси, не се освободи, то би могло да доведе до дефектна експресия на ген, прекъсване на кръговата ДНК или хромозома, дори да предизвика клетъчна смърт..

Регулиране на генната експресия

Конформационните промени (в триизмерната структура) на молекулата на ДНК излагат специфични области навън, които могат да взаимодействат с ДНК-свързващите протеини. Тези протеини имат регулаторна функция на генната експресия (положителна или отрицателна).

По този начин, състоянието на навиване на ДНК, генерирано от действието на топоизомерази, влияе върху регулирането на генната експресия.

Особености на топоизомераза II

Топоизомераза II е необходима за събиране на хроматиди, кондензация и декондензация на хромозомите и сегрегация на дъщерни молекули ДНК по време на митоза.

Този ензим е също структурен протеин и една от основните съставки на матрицата на клетъчното ядро ​​по време на интерфазата.

Видове топоизомерази

Има два основни типа топоизомерази в зависимост от това дали те са способни да разцепят една или две нишки на ДНК.

-Топоизомерази тип I

мономерни                 

Топоизомеразите от тип I са мономери, които облекчават негативните и положителните суперспирали, които се произвеждат от движението на вилицата по време на транскрипцията и по време на процесите на репликация и рекомбинация на гени..

Топоизомеразите от тип I могат да бъдат разделени на тип 1А и тип 1В. Последните са открити при хората и са отговорни за отпускането на суперспиралата ДНК.

Тирозин в активния си сайт

Топоизомераза 1В (Top1B) се състои от 765 аминокиселини, разделени в 4 специфични домена. Един от тези домени има силно запазена област, която съдържа активното място с тирозин (Tyr7233). Всички топоизомерази присъстват в активния си участък тирозин с основна роля в целия каталитичен процес.

Механизъм на действие

Тирозинът от активния център образува ковалентна връзка с 3'-фосфатния край на ДНК веригата, отрязва го и я държи прикрепена към ензима, докато преминава друга верига на ДНК чрез изрязване..

Преминаването на другата верига на ДНК през изрязаната нишка се постига благодарение на конформационната трансформация на ензима, която предизвиква отваряне на ДНК двойната спирала \ t.

След това топоизомераза I се връща към първоначалната си конформация и отново се свързва с изрязаните краища. Това става чрез процес, обратен на счупването на ДНК веригата, в каталитичния сайт на ензима. Накрая, топоизомеразата освобождава ДНК веригата.

Скоростта на лигиране на ДНК е по-висока от скоростта на ексцизия, която осигурява стабилността на молекулата и целостта на генома.

В обобщение, топоизомераза тип I катализира:

1. Изваждането на нишка.
2. Преминаването на другата верига през разделянето.
3. Лигирането на разцепените краища.

-Топоизомерази тип II

димерна

Топоизомеразите от тип II са димерни ензими, които разцепват двете нишки на ДНК, като по този начин релаксират суперспиралите, които се генерират по време на транскрипция и други клетъчни процеси..

Mg зависими⁺⁺ и ATP

Тези ензими се нуждаят от магнезий (Mg⁺⁺) и също така се нуждаят от енергията, която идва от разпадането на ATP трифосфатната връзка, която те се възползват благодарение на ATPase.

Две активни места с тирозин

Човешките топоизомерази II са много сходни с тези на дрождите (Saccharomyces cerevisiae), който се състои от два мономера (субфрагменти А и В). Всеки мономер има АТР-азен домен и в субфрагмент на тирозиновия активен сайт 782, към който ДНК може да се свърже. Следователно, две нишки от ДНК могат да бъдат свързани с топоизомераза II.

Механизъм на действие

Механизмът на действие на топоизомераза II е същият като този, описан за топоизомераза I, като се има предвид, че две ДНК вериги са разцепени и не само един.

В активното място на топоизомераза II се стабилизира фрагмент от протеина (чрез ковалентно свързване с тирозин). двойна спирала на ДНК, наречена "фрагмент G". Този фрагмент се разцепва и се държи свързан към активния сайт чрез ковалентни връзки.

След това, ензимът позволява друг фрагмент от ДНК, наречен "Т фрагмент", да преминава през фрагмента "G", разцепен, благодарение на конформационната промяна на ензима, която зависи от хидролизата на АТФ..

Топоизомераза II свързва двата края на "фрагмента G" и накрая възстановява първоначалното си състояние, освобождавайки фрагмента "G". След това, ДНК релаксира напрежението на усукване, позволявайки процесите на репликация и транскрипция да се появят.

-Човешки топоизомерази

Човешкият геном има пет топоизомерази: top1, top3α, top3β (от тип I); и top2α, top2β (от тип II). Най-подходящите човешки топоизомерази са top1 (топоизомераза тип IB) и 2α (топоизомераза тип II)..

Топоизомеразни инхибитори

-Топоизомерази като мишена за химическа атака

Тъй като процесите, катализирани от топоизомеразите, са необходими за оцеляването на клетките, тези ензими са добри мишени за атака, за да повлияят на злокачествените клетки. За тази цел топоизомеразите се считат за важни при лечението на много човешки заболявания.

Лекарствата, които взаимодействат с топоизомерази, в момента са широко проучени като химиотерапевтични вещества срещу ракови клетки (в различни органи на тялото) и патогенни микроорганизми..

-Видове инхибиране

Инхибиторните лекарства за топоизомеразната активност могат:

• Прием в ДНК.
• Влияят на ензима топоизомераза.
• Вмъкване на молекула в близост до активния сайт на ензима, докато ДНК-топоизомеразен комплекс е стабилизиран.

Стабилизирането на преходния комплекс, който се образува от свързването на ДНК към тирозина на каталитичното място на ензима, предотвратява обединяването на изрязаните фрагменти, което може да доведе до клетъчна смърт..

-Инхибитори на топоизомерази

Сред съединенията, които инхибират топоизомерази, са следните.

Антитуморни антибиотици

Антибиотиците се използват срещу рак, тъй като те предотвратяват растежа на туморни клетки, обикновено чрез намеса в тяхната ДНК. Те често се наричат ​​антинеопластични антибиотици (срещу рак). Актиномицин D, например, засяга топоизомераза II и се използва при тумори на Wilms при деца и при рабдомиосаркоми..

антрациклини

Антрациклините са, сред антибиотиците, най-ефективните противоракови лекарства и най-широк спектър. Те се използват за лечение на рак на белия дроб, яйчници, матка, стомах, пикочен мехур, гърди, левкемия и лимфоми. Известно е, че влияе на топоизомераза II чрез интеркалиране в ДНК.

Първият антрациклин, изолиран от актинобактерии (Streptomyces peucetius) е даунорубицин. След това в лабораторията се синтезира доксорубицин, а сега се използват и епирубицин и идарубицин..

антрахинолон

Антрахиноните или антрацендионите са съединения, получени от антрацен, подобно на антрациклините, които влияят на активността на топоизомераза II чрез интеркалиране в ДНК. Те се използват за метастазирал рак на гърдата, неходжкинов лимфом (НХЛ) и левкемия..

Тези лекарства са открити в пигментите на някои насекоми, растения (frángula, senna, rhubarb), лишеи и гъби; както и в hoelita, който е естествен минерал. В зависимост от дозата, те могат да бъдат канцерогенни.

Сред тези съединения имаме митоксантрон и неговия аналог лозоксантрон. Те предотвратяват пролиферацията на злокачествени туморни клетки, свързващи се необратимо с ДНК.

епиподофилотоксини

Подофилотоксини, като епидофилотоксини (VP-16) и тенипозид (VM-26), образуват комплекс с топоизомераза II. Те се използват срещу рак на белите дробове, тестикули, левкемия, лимфоми, рак на яйчниците, карцином на гърдата и злокачествени вътречерепни тумори, наред с други. Те са изолирани от растенията Podophyllum notatum и P. peltatum.

Аналози на камфотецини

Кампотецините са съединения, които инхибират топоизомераза I, и сред тях са иринотекан, топотекан и дипломотекан..

Тези съединения се използват срещу рак на дебелото черво, белия дроб и гърдата и се получават естествено от кората и листата на дървесните видове. Camptotheca acuminata китайски праскови и Тибет.

Естествено потискане

Структурните изменения на топоизомеразите I и II също могат да се появят напълно естествено. Това може да се случи по време на някои събития, които засягат нейния каталитичен процес.

Сред тези изменения можем да споменем образуването на пиримидинови димери, несъответствия на азотни бази и други събития, причинени от оксидативния стрес..

препратки

1. Anderson, H., & Roberge, M. (1992). ДНК топоизомераза II: преглед на участието му в хромозомната структура, ДНК репликация, транскрипция и митоза. Международни доклади за клетъчна биология, 16 (8): 717-724. doi: 10.1016 / s0309-1651 (05) 80016-5
2. Chhatriwala, H., Jafri, N., & Salgia, R. (2006). Преглед на инхибирането на топоизомераза при рак на белия дроб. Cancer Biology & Therapy, 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). Антиракови агенти, базирани на платина: Иновативни дизайнерски стратегии и биологични перспективи. Medicinal Research Reviews, 23 (5): 633-655. doi: 10.1002 / med.10038
4. Li, T.-K., & Liu, L.F. (2001). Загуба на туморни клетки, индуцирана от лекарства, насочени към топоизомераза. Годишен преглед на фармакологията и токсикологията, 41 (1): 53-77. doi: 10.1146 / annurev.pharmtox.41.1.53
5. Liu, L.F. (1994). DNA Topoisomerases: Топоизомераза-насочване на наркотици. Академик Прес. 307
6. Osheroff, N. и Bjornsti, M. (2001). ДНК топоизомераза. Ензимология и наркотици. Том II. Humana Press. стр. 329.
7. Rothenberg, М. L. (1997). Инхибитори на топоизомераза I: Преглед и актуализация. Annals of Oncology, 8 (9), 837-855. doi: 10.1023 / а: 1008270717294
8. Райън Б. (2009, 14 декември). Топоизомераза 1 и 2. [Видео файл]. Извлечено от youtube.com