ТОПОИЗОМЕРАЗЫ: ХАРАКТЕРИСТИКИ, ФУНКЦИИ, ТИПЫ И ИНГИБИТОРЫ - БИОЛОГИЯ - 2025

В топоизомеразы представляет собой ферменты , изомеразы типа изменения топологии дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК), генерируя как его размотку и суперспирализации как его завиток.

Эти ферменты играют особую роль в снятии торсионного стресса на ДНК, так что могут происходить важные процессы, такие как ее репликация, транскрипция ДНК в матричную рибонуклеиновую кислоту (мРНК) и рекомбинацию ДНК.

Рисунок 1. Топоизомераза II. Источник: Emw, из Wikimedia Commons

Ферменты топоизомеразы присутствуют как в эукариотических, так и в прокариотических клетках. Его существование было предсказано учеными Уотсоном и Криком при оценке ограничений, которые структура ДНК представляет для доступа к ее информации (хранящейся в ее нуклеотидной последовательности).

Чтобы понять функции топоизомераз, необходимо учитывать, что ДНК имеет стабильную двойную спиральную структуру, цепи которой намотаны одна на другую.

Эти линейные цепи состоят из 2-дезоксирибозы, соединенной 5'-3'-фосфодиэфирными связями, и азотистых оснований внутри, как ступеньки винтовой лестницы.

Рисунок 2. Молекула ДНК. Источник: https://es.m.wikipedia.org/wiki/Archivo:3DScience_DNA_structure_labeled_a.jpg

Топологическое исследование молекул ДНК показало, что они могут принимать различные конформации в зависимости от их торсионного напряжения: от расслабленного состояния до различных состояний свертывания, которые допускают их уплотнение.

Молекулы ДНК с разной конформацией называют топоизомерами. Таким образом, мы можем заключить, что топоизомеразы I и II могут увеличивать или уменьшать торсионное напряжение молекул ДНК, образуя их различные топоизомеры.

Среди возможных топоизомеров ДНК наиболее распространенной конформацией является суперспираль, которая очень компактна. Однако двойная спираль ДНК также должна раскручиваться топоизомеразами во время различных молекулярных процессов.

характеристики

Общий механизм действия

Некоторые топоизомеразы могут расслаблять только отрицательные суперспирали ДНК или обе суперспирали ДНК: положительную и отрицательную.

Если кольцевая двухцепочечная ДНК разматывается по своей длинной оси и происходит левый поворот (по часовой стрелке), говорят, что она имеет отрицательную суперспирали. Если повернуть по часовой стрелке (против часовой стрелки), он положительно перекручен.

Рис. 3. Отрицательно свернутая, релаксированная и положительно свернутая кольцевая двухцепочечная ДНК. Источник: Фдардель, из Wikimedia Commons.

В основном топоизомеразы могут:

-Облегчить прохождение цепи ДНК через разрез в противоположной цепи (топоизомераза типа I).

-Облегчить прохождение полной двойной спирали через само расщепление или через расщепление в другой другой двойной спирали (топоизомераза типа II).

Таким образом, топоизомеразы действуют через расщепление фосфодиэфирных связей в одной или обеих цепях, составляющих ДНК. Затем они модифицируют состояние свертывания цепей двойной спирали (топоизомераза I) или двух двойных спиралей (топоизомераза II), чтобы окончательно связать или снова связать расщепленные концы.

Топоизомеразы и клеточный цикл

Хотя топоизомераза I является ферментом, который проявляет более высокую активность в S-фазе (синтез ДНК), считается, что он не зависит от фазы клеточного цикла.

В то же время активность топоизомеразы II более активна в логарифмической фазе роста клеток и в клетках быстрорастущих опухолей.

Характеристики

Изменение генов, кодирующих топоизомеразы, смертельно для клеток, что свидетельствует о важности этих ферментов. К процессам, в которых участвуют топоизомеразы, относятся:

Компактное хранение генетического материала

Топоизомеразы способствуют компактному хранению генетической информации, поскольку они создают спиралевидную и суперспиральную ДНК, позволяя найти большой объем информации в относительно небольшом объеме.

Доступ к генетической информации

Без топоизомераз и их уникальных характеристик доступ к информации, хранящейся в ДНК, был бы невозможен. Это связано с тем, что топоизомеразы периодически снимают торсионный стресс, который возникает в двойной спирали ДНК, во время ее раскручивания, в процессах репликации, транскрипции и рекомбинации.

Рисунок 4. Репликация ДНК. Посмотрите на топоизомеразу в начале шпильки ДНК. Источник: LadyofHats, перевод Мигельсьерры, через Wikimedia Commons

Если торсионный стресс, возникающий во время этих процессов, не снимается, может произойти дефектная экспрессия генов, нарушение кольцевой ДНК или хромосомы, даже приводящее к гибели клеток.

Регулирование экспрессии генов

Конформационные изменения (в трехмерной структуре) молекулы ДНК открывают снаружи определенные области, которые могут взаимодействовать с ДНК-связывающими белками. Эти белки выполняют регуляторную функцию экспрессии генов (положительную или отрицательную).

Рисунок 5. Белок, регулирующий экспрессию гена, в данном случае предотвращает экспрессию определенных генов. Зефирис в англоязычной Википедии

Таким образом, спиралевидное состояние ДНК, создаваемое действием топоизомераз, влияет на регуляцию экспрессии генов.

Особенности топоизомеразы II

Топоизомераза II необходима для сборки хроматид, конденсации и деконденсации хромосом и разделения дочерних молекул ДНК во время митоза.

Этот фермент также является структурным белком и одним из основных компонентов матрицы ядра клетки во время интерфазы.

Типы топоизомераз

Существует два основных типа топоизомераз в зависимости от того, способны ли они расщеплять одну или две цепи ДНК.

-Топоизомеразы I типа

Мономерный

Топоизомеразы типа I представляют собой мономеры, которые ослабляют отрицательные и положительные суперспирали, которые образуются за счет движения шпильки во время транскрипции, а также во время процессов репликации и рекомбинации генов.

Топоизомеразы типа I можно подразделить на тип 1A и тип 1B. Последние встречаются у людей и отвечают за расслабление сверхспиральной ДНК.

Тирозин в активном центре

Топоизомераза 1B (Top1B) состоит из 765 аминокислот, разделенных на 4 специфических домена. Один из этих доменов имеет высококонсервативный участок, содержащий активный сайт тирозина (Tyr7233). Все топоизомеразы в своем активном центре представляют тирозин, играющий фундаментальную роль во всем каталитическом процессе.

Механизм действия

Тирозин в активном центре образует ковалентную связь с 3'-фосфатным концом цепи ДНК, разрезая ее и удерживая прикрепленной к ферменту, в то время как другая цепь ДНК проходит через расщепление.

Прохождение другой цепи ДНК через расщепленную цепь достигается благодаря конформационной трансформации фермента, которая вызывает раскрытие двойной спирали ДНК.

Затем топоизомераза I возвращается в исходную конформацию и снова связывает расщепленные концы. Это происходит в результате процесса, обратного разрушению цепи ДНК на каталитическом сайте фермента. Наконец, топоизомераза высвобождает нить ДНК.

Скорость лигирования ДНК выше, чем скорость вырезания, что обеспечивает стабильность молекулы и целостность генома.

Таким образом, топоизомераза типа I катализирует:

1. Расщепление пряди.
2. Прохождение другой нити через декольте.
3. Перевязка расщепленных концов.

-Топоизомеразы типа II

Димерный

Топоизомеразы типа II представляют собой димерные ферменты, которые расщепляют обе цепи ДНК, тем самым расслабляя суперспирали, которые образуются во время транскрипции и других клеточных процессов.

Зависит от магния

Эти ферменты нуждаются в магнии (Mg ⁺⁺ ), а также в энергии, которая возникает при разрыве трифосфатной связи АТФ, которой они пользуются благодаря АТФазе.

Два активных центра с тирозином

Топоизомеразы человека II очень похожи на топоизомеразы дрожжей (Saccharomyces cerevisiae), которые состоят из двух мономеров (субфрагменты A и B). Каждый мономер имеет домен АТФазы и в субфрагменте тирозин 782 активного сайта, с которым может связываться ДНК. Таким образом, две цепи ДНК могут связываться с топоизомеразой II.

Механизм действия

Механизм действия топоизомеразы II такой же, как описанный для топоизомеразы I, с учетом того, что две цепи ДНК расщепляются, а не одна.

В активном центре топоизомеразы II стабилизируется фрагмент двойной спирали ДНК, называемый «фрагментом G» (за счет ковалентной связи с тирозином). Этот фрагмент вырезается и удерживается вместе с активным сайтом ковалентными связями.

Затем фермент позволяет другому фрагменту ДНК, называемому «Т-фрагментом», проходить через расщепленный фрагмент «G» благодаря конформационному изменению фермента, которое зависит от гидролиза АТФ.

Топоизомераза II связывает два конца «фрагмента G» и, наконец, восстанавливает свое исходное состояние, высвобождая фрагмент «G». Затем ДНК снимает торсионное напряжение, позволяя происходить репликации и транскрипции.

-Топоизомеразы человека

В геноме человека имеется пять топоизомераз: top1, top3α, top3β (тип I); и top2α, top2β (типа II). Наиболее подходящими топоизомеразами человека являются top1 (топоизомераза типа IB) и 2α (топоизомераза типа II).

Ингибиторы топоизомеразы

-Топоизомеразы как объект химической атаки

Поскольку процессы, катализируемые топоизомеразами, необходимы для выживания клеток, эти ферменты являются хорошей мишенью для атаки злокачественных клеток. По этой причине топоизомеразы считаются важными при лечении многих заболеваний человека.

Лекарства, которые взаимодействуют с топоизомеразами, в настоящее время широко изучаются как химиотерапевтические вещества против раковых клеток (в различных органах тела) и патогенных микроорганизмов.

-Типы торможения

Лекарства, подавляющие активность топоизомеразы, могут:

• Зажатый в ДНК.
• Влияют на фермент топоизомеразу.
• Интеркалирует в молекулу, близкую к активному центру фермента, в то время как комплекс ДНК-топоизомераза стабилизируется.

Стабилизация временного комплекса, образующегося при связывании ДНК с тирозином каталитического сайта фермента, предотвращает связывание расщепленных фрагментов, что может привести к гибели клетки.

- Препараты-ингибиторы топоизомеразы

Среди соединений, которые ингибируют топоизомеразы, следующие.

Противоопухолевые антибиотики

Антибиотики используются против рака, поскольку они предотвращают рост опухолевых клеток, обычно влияя на их ДНК. Их часто называют противоопухолевыми (раковыми) антибиотиками. Актиномицин D, например, влияет на топоизомеразу II и используется при опухолях Вильмса у детей и рабдомиосаркомах.

Антрациклины

Антрациклины относятся к числу антибиотиков, одного из самых эффективных противоопухолевых препаратов с самым широким спектром действия. Они используются для лечения рака легких, яичников, матки, желудка, мочевого пузыря, груди, лейкемии и лимфом. Известно, что он влияет на топоизомеразу II путем интеркаляции в ДНК.

Первым антрациклином, выделенным из актинобактерий (Streptomyces peucetius), был даунорубицин. Впоследствии доксорубицин был синтезирован в лаборатории, и сегодня также используются эпирубицин и идарубицин.

Антрахиноны

Антрахиноны или антрацендионы представляют собой соединения, полученные из антрацена, аналогичные антрациклинам, которые влияют на активность топоизомеразы II путем интеркаляции в ДНК. Они используются при метастатическом раке груди, неходжкинской лимфоме (НХЛ) и лейкемии.

Эти препараты были обнаружены в пигментах некоторых насекомых, растений (франгула, сенна, ревень), лишайников и грибов; а также в гелите, который является природным минералом. В зависимости от вашей дозы они могут быть канцерогенными.

Среди этих соединений мы имеем митоксантрон и его аналог лозоксантрон. Они предотвращают распространение злокачественных опухолевых клеток, необратимо связываясь с ДНК.

Эпидофиллотоксины

Подофиллотоксины, такие как эпидофиллотоксины (VP-16) и тенипозид (VM-26), образуют комплекс с топоизомеразой II. Они используются, среди прочего, против рака легких, яичек, лейкемии, лимфом, рака яичников, рака груди и злокачественных внутричерепных опухолей. Podophyllum notatum и P. peltatum выделяют из растений.

Аналоги камптотецина

Кампотецины - это соединения, которые ингибируют топоизомеразу I, включая иринотекан, топотекан и дифломотекан.

Эти соединения использовались против рака толстой кишки, легких и молочной железы, и их получают естественным путем из коры и листьев древесных видов Camptotheca acuminata кукурузы Китая и Тибета.

Естественное торможение

Структурные изменения топоизомераз I и II также могут происходить полностью естественным путем. Это может произойти во время некоторых событий, влияющих на ваш каталитический процесс.

Эти изменения включают образование димеров пиримидина, несоответствия азотистых оснований и другие события, вызванные окислительным стрессом.

Ссылки

1. Андерсон, Х., и Роберж, М. (1992). ДНК-топоизомераза II: обзор ее участия в структуре хромосомы, репликации ДНК, транскрипции и митозе. Международные отчеты по клеточной биологии, 16 (8): 717–724. DOI: 10.1016 / s0309-1651 (05) 80016-5
2. Чхатривала, Х., Джафри, Н., и Салгия, Р. (2006). Обзор ингибирования топоизомеразы при раке легких. Биология и терапия рака, 5 (12): 1600–1607. DOI: 10.4161 / cbt.5.12.3546
3. Хо, Й.-П., Ау-Йунг, СКФ, и То, KKW (2003). Противораковые агенты на основе платины: инновационные стратегии дизайна и биологические перспективы. Обзоры медицинских исследований, 23 (5): 633–655. DOI: 10.1002 / med.10038
4. Ли, Т.-К., и Лю, Л.Ф. (2001). Гибель опухолевых клеток, вызванная лекарствами, направленными на топоизомеразу. Ежегодный обзор фармакологии и токсикологии, 41 (1): 53–77. DOI: 10.1146 / annurev.pharmtox.41.1.53
5. Лю, LF (1994). ДНК-топоизомеразы: лекарственные средства, нацеленные на топоизомеразу. Академическая пресса. 307 стр.
6. Ошерофф Н. и Бьорнсти М. (2001). ДНК-топоизомераза. Энзимология и лекарства. Том II. Humana Press. 329 с.
7. Ротенберг, ML (1997). Ингибиторы топоизомеразы I: обзор и обновление. Анналы онкологии, 8 (9), 837–855. DOI: 10.1023 / A: 1008270717294
8. Райан Б. (2009, 14 декабря). Топоизомеразы 1 и 2 .. Получено с youtube.com