Topoisomeraser egenskaper, funktioner, typer och hämmare

den topoisomeraser är en typ av isomerasenzymer som modifierar topologi av deoxiribonukleinsyra (DNA), vilket alstrar både dess avlindning som dess lindning och superpolning.

Dessa enzymer har en specifik roll för att lindra torsionsspänningen i DNA så att viktiga processer såsom dess replikation, transkriptionen av DNA i messenger-ribonukleinsyra (mRNA) och rekombination av DNA kan uppstå..

Topoisomerasenzymer är närvarande i både eukaryota och prokaryota celler. Dess existens förutspåddes av forskarna Watson och Crick, vid utvärdering av de begränsningar som DNA-strukturen presenterade för att tillåta tillgång till dess information (lagrad i dess nukleotidsekvens).

För att förstå funktionerna hos topoisomeraser måste man betrakta att DNA-en har en stabil struktur av dubbelhelix, med sina kedjor rullade över varandra.

Dessa linjära kedjor utgöres av 2-deoxiribos förbunden med fosfodiesterbindningar 5'-3 'och kvävebaser i deras inre, som stegen i en spiraltrappa.

Den topologiska studien av DNA-molekyler har visat att de kan anta flera konformationer beroende på deras torsionsspänning: från ett avslappnat tillstånd till olika slingringslindningar som möjliggör deras komprimering.

DNA-molekyler med olika konformationer kallas topoisomerer. Således kan vi dra slutsatsen att topoisomeraserna I och II kan öka eller minska torsionsspänningen hos DNA-molekylerna, bildande deras olika topoisomerer.

Bland de möjliga DNA-topoisomererna är den vanligaste konformationen supercoiling, vilket är mycket kompakt. Den dubbla helixen av DNA måste emellertid också vara uncoiled av topoisomeraser under flera molekylära processer.

index

• 1 Egenskaper
  • 1.1 Mekanism för allmän åtgärd
  • 1.2 Topoisomeraser och cellcykel
• 2 funktioner
  • 2.1 Kompakt lagring av genetiskt material
  • 2.2 Tillgång till genetisk information
  • 2.3 Reglering av genuttryck
  • 2.4 Särskilda egenskaper hos topoisomeras II
• 3 Typer av topoisomeraser
  • 3,1-topoisomeraser typ I
  • 3,2-topoisomeraser typ II
  • 3.3 - Mänskliga topoisomeraser
• 4 topoisomerashämmare
  • 4.1-Topoisomeraser som ett mål för kemisk attack
  • 4.2-typer av hämning
  • 4.3 - Topoisomerasinhibitorläkemedel
• 5 referenser

särdrag

Mekanism för allmän åtgärd

Vissa topoisomeraser kan slappna av endast negativa DNA-supercoils, eller båda DNA-superkoderna: positiva och negativa.

Om det cirkulära dubbelsträngade DNAet rullas ut på sin längdaxel och en vänsterhands vändning uppträder (medurs) sägs den vara superpolerad negativt. Om vridningen är medurs (moturs) är den positivt superspolad.

I grund och botten kan topoisomeraser:

-Underlätta passagen av en DNA-sträng genom ett snitt i den motsatta strängen (topoisomeras typ I).

-Underlätta passagen av en komplett dubbelhelikix genom en splittring i sig eller genom en splittring i en annan annan dubbelhelix (topoisomeras typ II).

Sammanfattningsvis verkar topoisomeraser genom klyvning av fosfodiesterbindningar, i en eller båda strängarna som utgör DNA. Ändra sedan lindningstillståndet för strängarna i en dubbelhelikix (topoisomeras I) eller två dubbla spiraler (topoisomeras II) för att slutligen återgå till bindning eller ligering av ändarna skurna.

Topoisomeraser och cellcykel

Fastän topoisomeras I är ett enzym som uppvisar större aktivitet under S-fas (DNA-syntes) anses det inte vara beroende av en fas i cellcykeln.

Medan topoisomeras II-aktiviteten är mer aktiv under den logaritmiska fasen av celltillväxt och i cellerna i de snabbt växande tumörerna.

funktioner

Ändringen av generna som kodar för topoisomeraser är dödlig för cellerna, vilket visar betydelsen av dessa enzymer. Bland de processer som topoisomeraser deltar i är:

Kompakt lagring av genetiskt material

Topoisomeraser underlättar lagringen av genetisk information på ett kompakt sätt, eftersom de alstrar DNA-samling och superpolning, vilket medger att en stor mängd information finns i ett relativt litet volym.

Tillgång till genetisk information

Om det inte fanns några topoisomeraser och deras unika egenskaper skulle det vara omöjligt att få tillgång till informationen som lagras i DNA: n. Detta beror på att topoisomeraserna periodiskt släpper ut spänningen genom att vrida som genereras i DNA: s dubbla helix under dess avveckling i replikationsprocesserna, transkription och rekombination.

Om spänningen på grund av torsion som alstras under dessa processer inte frigörs, kan den producera ett defekt genuttryck, avbrottet av det cirkulära DNA eller kromosomen, till och med producera celldöd.

Reglering av genuttryck

Konformationsförändringarna (i den tredimensionella strukturen) av DNA-molekylen exponerar specifika regioner på utsidan, som kan interagera med DNA-bindande proteiner. Dessa proteiner har en reglerande funktion av genuttryck (positivt eller negativt).

Således påverkar tillståndet för DNA-lindning, som alstras av verkan av topoisomeraser, regleringen av genuttryck.

Särskilda egenskaper för topoisomeras II

Topoisomeras II är nödvändigt för montering av kromatider, kondensation och dekondensation av kromosomer och segregering av dotter-DNA-molekyler under mitos.

Detta enzym är också ett strukturellt protein och en av huvudkomponenterna i cellkärnans matris under interfasen.

Typer av topoisomeraser

Det finns två huvudtyper av topoisomeraser beroende på huruvida de kan klota en eller två DNA-strängar.

-Topoisomeraser typ I

monomer                 

Typ I-topoisomeraser är monomerer som lindrar negativa och positiva supercoils, vilka produceras genom gaffelns rörelse under transkription och under replikationsprocesserna och genrekombination.

Typ I topoisomeraser kan delas in i typ 1A och typ 1B. Det senare är de som finns hos människor, och ansvarar för att koppla av det supercoiled DNA.

Tyrosin på dess aktiva sida

Topoisomeras 1B (Top1B) består av 765 aminosyror uppdelade i 4 specifika domäner. En av dessa domäner har ett mycket konserverat område som innehåller den aktiva platsen med tyrosin (Tyr7233). Alla topoisomeraser presenterar i sin aktiva plats en tyrosin med en grundläggande roll i hela katalytiska processen.

Verkningsmekanism

Tyrosin från den aktiva platsen bildar en kovalent bindning med DNA-strängens 3'-fosfatändning, skär den och håller den bunden till enzymet medan den passerar en annan DNA-sträng genom excisionen.

Passagen av den andra DNA-strängen genom den utskurna strängen uppnås tack vare en konformationell omvandling av enzymet, vilket ger öppningen av DNA-dubbelhelikixen.

Därefter återvänder topoisomeras I till sin ursprungliga konformation och binder återigen de utskurna ändarna. Detta sker genom en process som är invers mot DNA-kedjans brytning i enzymets katalytiska ställe. Slutligen släpper topoisomeras DNA-strängen ut.

DNA-ligeringshastigheten är högre än excisionshastigheten, vilken säkerställer stabiliteten hos molekylen och genoms integritet.

Sammanfattningsvis katalyserar topoisomeras typ I:

1. Excisionen av en sträng.
2. Passagen av den andra strängen genom splittringen.
3. De splittrade ändarnas ligering.

-Topoisomeraser typ II

dimer

Typ II-topoisomeraser är dimeriska enzymer, som klämmer båda DNA-strängarna och därmed avkopplar supercoilsna som genereras under transkription och andra cellulära processer.

Mg avhängare⁺⁺ och ATP

Dessa enzymer behöver magnesium (Mg⁺⁺) och behöver också den energi som kommer från nedbrytningen av ATP-trifosfatlänken, som de utnyttjar tack vare en ATPase.

Två aktiva platser med tyrosin

Mänskliga topoisomeraser II är mycket likartade med jäst (Saccharomyces cerevisiae), som består av två monomerer (delfragment A och B). Varje monomer har en ATPas-domän och i ett subfragment den tyrosin-aktiva platsen 782, till vilken DNA kan binda. Därför kan två DNA-strängar förenas med topoisomeras II.

Verkningsmekanism

Verkningsmekanismen för topoisomeras II är densamma som den som beskrivits för topoisomeras I, med tanke på att två DNA-kedjor klyvs och inte enbart.

På den aktiva platsen för topoisomeras II stabiliseras ett fragment av proteinet (genom kovalent bindning med tyrosin). dubbel helix av DNA, kallat "fragment G". Detta fragment klyvs och hålls bunden till den aktiva platsen genom kovalenta bindningar.

Därefter tillåter enzymet ett annat fragment av DNA, som kallas "T-fragment", att passera genom fragmentet "G" klyvat, tack vare en konformationsändring av enzymet, som är beroende av ATP-hydrolysen.

Topoisomeras II binder de två ändarna av "fragmentet G" och återhämtar slutligen sitt initialtillstånd, vilket frigör fragmentet "G". Därefter slappnar DNA av torsionsspänningen, vilket möjliggör att replikationsprocesserna och transkriptionen uppträder.

-Human topoisomeraser

Det humana genomet har fem topoisomeraser: top1, top3a, top3β (av typ I); och top2a, top2p (av typ II). De mest relevanta humana topoisomeraser är top1 (topoisomeras typ IB) och 2a (topoisomeras typ II).

Topoisomerashämmare

-Topoisomeraser som mål för kemisk attack

Eftersom de processer som katalyseras av topoisomeraserna är nödvändiga för cellernas överlevnad är dessa enzymer goda mål för angrepp för att påverka de maligna cellerna. För detta anses topoisomeraser vara viktiga vid behandling av många humana sjukdomar.

Läkemedel som interagerar med topoisomeraser studeras för närvarande allmänt som kemoterapeutiska substanser mot cancerceller (i olika organ i kroppen) och patogena mikroorganismer.

-Typer av inhibering

Topoisomerasaktivitetshämmande läkemedel kan:

• Intag i DNA.
• Påverka topoisomerasenzymet.
• Interfoliera till en molekyl nära enzymets aktiva ställning medan DNA-topoisomeraskomplexet stabiliseras.

Stabiliseringen av det transienta komplexet som bildas genom DNA-bindningen till tyrosinet hos enzymets katalytiska ställe förhindrar fackföreningen av de utskurna fragmenten, vilket kan leda till celldöd.

-Inhibitorer av topoisomeraser

Bland de föreningar som hämmar topoisomeraser är följande.

Antitumörantibiotika

Antibiotika används mot cancer, eftersom de hindrar tillväxten av tumörceller, vanligtvis genom att störa deras DNA. De kallas ofta antineoplastiska antibiotika (mot cancer). Actinomycin D, till exempel, påverkar topoisomeras II och används i Wilms tumörer hos barn och i rhabdomyosarkom.

antracykliner

Antracykliner är bland de antibiotika de mest effektiva läkemedel mot cancer och det bredaste spektret. De används vid behandling av lungcancer, äggstockar, livmoder, mage, urinblåsa, bröst, leukemi och lymfom. Det är känt att påverka topoisomeras II genom interkalering i DNA.

Den första antracyklin isolerad från en aktinobakterier (Streptomyces peucetius) var daunorubicin. Därefter syntetiserades doxorubicin i laboratoriet, och epirubicin och idarubicin används nu också..

antrakinon

Antrakinoner eller antracendioner är föreningar härledda från antracen, liknande antracykliner, vilka påverkar aktiviteten hos topoisomeras II genom interkalering i DNA. De används för metastatisk bröstcancer, icke-Hodgkins lymfom (NHL) och leukemi.

Dessa läkemedel hittades i pigmenten av vissa insekter, växter (frangula, senna, rabarber), lavar och svampar; liksom i Hoelita, som är ett naturligt mineral. Beroende på dosen kan de vara cancerframkallande.

Bland dessa föreningar har vi mitoxantron och dess analoga losoxantron. Dessa förhindrar proliferationen av maligna tumörceller, bindande irreversibelt till DNA.

epipodofyllotoxiner

Podofyllotoxiner, såsom epidofilotoxiner (VP-16) och teniposid (VM-26), bildar ett komplex med topoisomeras II. De används bland annat mot cancer i lung-, testikel-, leukemi-, lymfom, ovariecancer, bröstkarcinom och maligna intrakraniella tumörer. De är isolerade från växterna Podofyllum notatum och P. peltatum.

Camptothecinanaloger

Campoteciner är föreningar som hämmar topoisomeras I, och bland dem är irinotekan, topotekan och diflomotecan.

Dessa föreningar har använts mot cancer i tjocktarmen, lungan och bröstet, och erhålls naturligt från barken och bladen hos den arboreala arten Camptotheca acuminata av kinesiska persikor och Tibet.

Naturlig inhibering

Strukturella förändringar av topoisomeraserna I och II kan också förekomma helt naturligt. Detta kan hända under vissa händelser som påverkar dess katalytiska process.

Bland dessa förändringar kan nämnas bildandet av pyrimidindimerer, missförhållanden av kvävebas och andra händelser som orsakas av oxidativ stress.

referenser

1. Anderson, H., & Roberge, M. (1992). DNA-topoisomeras II: En genomgång av dess involvering i kromosomstruktur, DNA-replikation, transkription och mitos. Cellbiology International Reports, 16 (8): 717-724. doi: 10,1016 / s0309-1651 (05) 80016-5
2. Chhatriwala, H., Jafri, N., & Salgia, R. (2006). En översyn av topoisomerasinhibering i lungcancer. Cancerbiologi och 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). Platinbaserade anticancermedel: Innovativa designstrategier och biologiska perspektiv. Medicinsk forskning, 23 (5): 633-655. doi: 10.1002 / med.10038
4. Li, T.-K., och Liu, L.F. (2001). Tumörcellsdöd inducerad av topoisomeras-riktade läkemedel. Årlig granskning av farmakologi och toxikologi, 41 (1): 53-77. doi: 10.1146 / annurev.pharmtox.41.1.53
5. Liu, L. F. (1994). DNA-topoisomeraser: Topoisomeras-riktade läkemedel. Academic Press. s. 307
6. Osheroff, N. och Bjornsti, M. (2001). DNA-topoisomeras. Enzymologi och läkemedel. Vol. II. Humana Press. s. 329.
7. Rothenberg, M. L. (1997). Topoisomeras I-hämmare: Granska och uppdatera. Annik av onkologi, 8 (9), 837-855. doi: 10,1023 / a: 1008270717294
8. Ryan B. (2009, 14 december). Topoisomeras 1 och 2. [Videofil]. Hämtad från youtube.com