TOPOIZOMERAZE: ZNAČILNOSTI, FUNKCIJE, VRSTE IN INHIBITORJI - BIOLOGIJA - 2025

V topoizomeraz so encimi isomerases tip spreminjanje topologije kislino (DNK), ki ustvarjajo tako njegovo odvijanje in supercoiling kot njegov rotor.

Ti encimi imajo posebno vlogo pri lajšanju torzijskega stresa na DNK, tako da lahko pride do pomembnih procesov, kot so njegovo razmnoževanje, prepisovanje DNK v messenger ribonukleinsko kislino (mRNA) in rekombinacija DNK.

Slika 1. Topoizomeraza II. Vir: Emw, iz Wikimedia Commons

Encimi topoizomeraze so prisotni tako v evkariontskih kot v prokariotskih celicah. Njen obstoj sta predvidela znanstvenika Watson in Crick, ko sta ocenjevala omejitve predstavljene strukture DNK, ki omogoča dostop do njenih informacij (shranjenih v nukleotidnem zaporedju).

Za razumevanje funkcij topoizomeraz je treba upoštevati, da ima DNK stabilno strukturo z dvojno vijačnico in da so njeni prameni naviti drug nad drugim.

Te linearne verige so sestavljene iz 2-deoksiriboze, ki jo povezujejo 5'-3 'fosfodiesterske vezi, in dušikove podlage v notranjosti, podobno kot prečke spiralnega stopnišča.

Slika 2. Molekul DNK. Vir: https://es.m.wikipedia.org/wiki/Archivo:3DScience_DNA_structure_labeled_a.jpg

Topološka študija molekul DNK je pokazala, da lahko prevzamejo različne konformacije, ki so odvisne od njihovega torzijskega napetosti: od sproščenega stanja do različnih stanj, ki omogočajo njihovo zbijanje.

Molekule DNK z različnimi konformacijami imenujemo topoizomeri. Tako lahko sklepamo, da lahko topoizomerazi I in II povečata ali zmanjšata torzijski stres molekul DNK, tvorita njune različne topoizomere.

Med možnimi DNA topoizomeri je najpogostejša sestava superkolota, ki je zelo kompaktna. Vendar pa mora dvojna vijačnica DNK tudi topoizomeraze odviti med različnimi molekularnimi procesi.

značilnosti

Splošni mehanizem delovanja

Nekatere topoizomeraze lahko sprostijo samo negativne površinske snovi DNK ali obe superkoloti DNK: pozitivne in negativne.

Če se krožna dvoverižna DNK odvije na svoji vzdolžni osi in pride do levega zasuka (v smeri urinega kazalca), se reče, da je negativno prekriven. Če je zavoj v smeri urinega kazalca (v nasprotni smeri urinega kazalca), je pozitivno premazan.

Slika 3. Negativno prekomerno ohlajena, sproščena in pozitivno supermotana okrogla dvojna veriga DNK. Vir: Fdardel, iz Wikimedia Commons

V bistvu lahko topoizomeraze:

-Facializirajte prehod verige DNA skozi rez v nasprotnem nizu (topoizomerazo tipa I).

-Fakilicirajte prehod celotne dvojne vijačnice skozi sam cep ali skozi cepitev v drugi različni dvojni vijačnici (topoizomeraza II).

Če povzamemo, topoizomeraze delujejo s cepitvijo fosfodiesterskih vezi v enem ali obeh sklopih, ki sestavljajo DNK. Nato spremenijo stanje zvijanja pramenov dvojne vijačnice (topoizomeraza I) ali dveh dvojnih vijačnic (topoizomeraza II), da končno spet zavežejo ali privežejo razcepljene konce.

Topoizomeraze in celični cikel

Čeprav je topoizomeraza I encim, ki ima večjo aktivnost med S fazo (sinteza DNA), se ne šteje, da je odvisna od faze celičnega cikla.

Ker je aktivnost topoizomeraze II bolj aktivna med logaritmično fazo rasti celic in v celicah hitro rastočih tumorjev.

Lastnosti

Sprememba genov, ki kodirajo topoizomeraze, je za celice smrtonosna, kar dokazuje pomen teh encimov. Med procesi, v katerih sodelujejo topoizomeraze, so:

Kompaktno skladiščenje genskega materiala

Topoizomeraze olajšujejo hranjenje genetskih informacij na kompakten način, saj ustvarjajo kopiranje in prekomerno prekrivanje DNK, kar omogoča, da se v razmeroma majhnem obsegu najde velika količina informacij.

Dostop do genetskih informacij

Brez topoizomeraz in njihovih edinstvenih značilnosti bi bil dostop do informacij, shranjenih v DNK, nemogoč. To je posledica dejstva, da topoizomeraze ob procesih podvajanja, prepisovanja in rekombinacije občasno sproščajo torzijski stres, ki nastane v dvojni vijačnici DNK.

Slika 4. Podvajanje DNK. Glej topoizomerazo na začetku DNK lasnice. Vir: LadyofHats prevedel Miguelsierra, prek Wikimedia Commons

Če se torzijski stres, ki nastane med temi procesi, ne sprosti, lahko pride do okvarjene genske ekspresije, prekinitve krožne DNK ali kromosoma, celo do nastanka celične smrti.

Regulacija izražanja genov

Konformacijske spremembe (v tridimenzionalni strukturi) molekule DNK na zunaj izpostavijo določena območja, ki lahko vplivajo na beljakovine, ki vežejo DNA. Ti proteini imajo regulativno funkcijo izražanja genov (pozitivno ali negativno).

Slika 5. Regulativni protein ekspresije genov, v tem primeru preprečuje ekspresijo določenih genov. Zephyris na angleškem jeziku Wikipedia

Tako stanje zvijanja DNK, ki nastane z delovanjem topoizomeraz, vpliva na regulacijo izražanja genov.

Posebnosti topoizomeraze II

Topoizomeraza II je potrebna za sestavljanje kromatid, kondenzacijo in dekondenzacijo kromosomov ter za ločevanje hčerinskih molekul DNK med mitozo.

Ta encim je tudi strukturni protein in ena glavnih sestavin matriksa celičnega jedra med interfazo.

Vrste topoizomeraz

Obstajata dve glavni vrsti topoizomeraze, odvisno od tega, ali sta sposobni cepiti enega ali dva sklopa DNK.

-Topoizomeraze tip I

Monomerna

Topoizomeraze tipa I so monomeri, ki ublažijo negativne in pozitivne površinske ovojnice, ki nastanejo z gibanjem lasnic med prepisovanjem in med postopki podvajanja in rekombinacije genov.

Topoizomeraze tipa I lahko razdelimo na tip 1A in tip 1B. Slednje so tiste, ki jih najdemo pri ljudeh, in so odgovorne za sprostitev superhlajene DNK.

Tirozin na njegovem aktivnem mestu

Topoizomerazo 1B (Top1B) sestavlja 765 aminokislin, razdeljenih na 4 posebne domene. Eno od teh domen ima zelo ohranjeno območje, ki vsebuje spletno mesto, ki deluje na tirozin (Tyr7233). Vse topoizomeraze predstavljajo tirozin na svojem aktivnem mestu s temeljno vlogo v celotnem katalitičnem procesu.

Mehanizem delovanja

Tirozin na aktivnem mestu tvori kovalentno vez s 3'-fosfatnim koncem verige DNK, ki ga razreže in drži pritrjen na encim, medtem ko skozi cepitev prehaja drug sklop DNK.

Prehod drugega verige DNA skozi razcepljeni niz je dosežen zahvaljujoč konformacijski transformaciji encima, ki povzroči odpiranje dvojne vijačnice DNK.

Nato se topoizomeraza I vrne v prvotno konformacijo in spet veže razcepljene konce. To se zgodi s procesom, obratnim razpadu verige DNK, na katalitičnem mestu encima. Končno topoizomeraza sprosti verigo DNK.

Hitrost ligacije DNA je višja od hitrosti ekscizije, kar zagotavlja stabilnost molekule in celovitost genoma.

Če povzamemo, topoizomeraza tipa I katalizira:

1. Cepi pramen.
2. Prehod drugega pramena skozi cepitev.
3. Ligacija razcepljenih koncev.

-Top II topoizomeraze

Dimeric

Topoizomeraze tipa II so dimerni encimi, ki cepijo oba niza DNK in tako sproščajo superkolike, ki nastanejo med prepisovanjem in drugimi celičnimi procesi.

Odvisno od Mg

Ti encimi potrebujejo magnezij (Mg ⁺⁺ ) in prav tako potrebujejo energijo, ki prihaja iz pretrganja vezi ATP trifosfata, kar izkoristijo zahvaljujoč ATPazi.

Dva aktivna mesta s tirozinom

Človeške topoizomeraze II so zelo podobne tistim iz kvasa (Saccharomyces cerevisiae), ki ga sestavljata dva monomera (podoklona A in B). Vsak monomer ima domeno ATPaze in v pod fragmentu aktivno mesto tirozin 782, na katerega se lahko veže DNK. Tako se lahko dva toka DNK vežeta na topoizomerazo II.

Mehanizem delovanja

Mehanizem delovanja topoizomeraze II je enak tistemu, ki je opisan za topoizomerazo I, če upoštevamo, da sta dva sklopa DNK ločena in ne samo ena.

Na aktivnem mestu topoizomeraze II se fragment DNK z dvojno vijačnico, imenovan "fragment G", stabilizira (s kovalentno vezjo s tirozinom). Ta fragment seseka in drži skupaj do aktivnega mesta s kovalentnimi vezmi.

Encim nato omogoči drug fragment DNK, imenovan „fragment T“, skozi cepljeni fragment „G“, zahvaljujoč konformacijski spremembi encima, ki je odvisna od hidrolize ATP.

Topoizomeraza II veže oba konca "G fragmenta" in na koncu povrne prvotno stanje in sprosti fragment "G". DNK nato sprosti torzijski stres, kar omogoča ponovitev in prepisovanje.

-Ljudske topoizomeraze

Človeški genom ima pet topoizomeraz: top1, top3α, top3β (tip I); in top2α, top2β (tipa II). Najpomembnejša človeška topoizomeraza sta top1 (tip IB topoizomeraze) in 2α (topoizomeraza tipa II).

Zaviralci topoizomeraze

-Topoizomeraze kot meta kemičnega napada

Ker so procesi, ki jih katalizirajo topoizomeraze, potrebni za preživetje celic, so ti encimi dobra tarča napada, da vplivajo na maligne celice. Zaradi tega se topoizomeraze štejejo za pomembne pri zdravljenju številnih bolezni ljudi.

Zdravila, ki medsebojno delujejo s topoizomerazo, so trenutno široko raziskana kot kemoterapevtske snovi proti rakavim celicam (v različnih organih telesa) in patogenim mikroorganizmom.

-Vrste inhibicije

Zdravila, ki zavirajo aktivnost topoizomeraze, lahko:

• Sendvič v DNK.
• Vpliva na encim topoizomerazo.
• Interkaliramo v molekuli blizu aktivnega mesta encima, medtem ko se kompleks DNA-topoizomeraze stabilizira.

Stabilizacija prehodnega kompleksa, ki nastane z vezavo DNK na tirozin katalitičnega mesta encima, prepreči vezavo cepljenih fragmentov, kar lahko privede do celične smrti.

-Zdravila, ki zavirajo topoizomerazo

Med spojinami, ki zavirajo topoizomeraze, so naslednje.

Protitumorski antibiotiki

Proti raku se uporabljajo antibiotiki, saj preprečujejo rast tumorskih celic, ki običajno motijo ​​njihovo DNK. Te pogosto imenujemo antineoplastični (rakavi) antibiotiki. Aktinomicin D, na primer, vpliva na topoizomerazo II in se uporablja pri Wilmsovih tumorjih pri otrocih in rabdomiosarkomih.

Antraciklini

Antraciklini spadajo med antibiotike, eno najučinkovitejših zdravil proti raku in z najširšim spektrom. Uporabljajo se za zdravljenje raka pljuč, jajčnikov, maternice, želodca, mehurja, dojk, levkemije in limfomov. Znano je, da vpliva na topoizomerazo II z interkaliranjem v DNK.

Prvi antraciklin, izoliran iz aktinobakterij (Streptomyces peucetius), je bil daunorubicin. Kasneje so v laboratoriju sintetizirali doksorubicin, danes se uporabljata tudi epirubicin in idarubicin.

Antrakinoni

Antrakinoni ali antracendioni so spojine, pridobljene iz antracena, podobne antraciklinom, ki vplivajo na aktivnost topoizomeraze II z interkaliranjem v DNK. Uporabljajo se za metastatski rak dojke, ne-Hodgkinov limfom (NHL) in levkemijo.

Ta zdravila so bila v pigmentih nekaterih žuželk, rastlin (frangula, senna, rabarbara), lišajev in gliv; kot tudi v hoelitu, ki je naravni mineral. Odvisno od odmerka so lahko rakotvorni.

Med temi spojinami imamo mitoksantron in njegov analog losoksantron. Te preprečujejo širjenje malignih tumorskih celic in se nepovratno vežejo na DNK.

Epidofilotoksini

Podofilotoksini, kot so epidofilotoksini (VP-16) in tenipozid (VM-26), tvorijo kompleks s topoizomerazo II. Med drugim se uporabljajo proti pljučnemu raku, raku testisov, levkemiji, limfomom, raku jajčnikov, karcinomu dojke in malignim intrakranialnim tumorjem. Podophyllum notatum in P. peltatum so izolirani iz rastlin.

Analogi kamptotecina

Kampotecini so spojine, ki zavirajo topoizomerazo I, vključno z irinotekanom, topotekanom in diflomotekanom.

Te spojine so bile uporabljene proti raku debelega črevesa, pljuč in dojk, pridobljene pa so naravno iz lubja in listov gozdne vrste Camptotheca acuminata kitajske in tibetanske koruze.

Naravna inhibicija

Strukturne spremembe topoizomeraze I in II se lahko zgodijo tudi povsem naravno. To se lahko zgodi med nekaterimi dogodki, ki vplivajo na vaš katalitični postopek.

Te spremembe vključujejo nastanek pirimidinskih dimerov, neusklajenost dušikove baze in druge dogodke, ki jih povzroča oksidativni stres.

Reference

1. Anderson, H., & Roberge, M. (1992). DNA topoizomeraza II: pregled njegove vpletenosti v strukturo kromosomov, podvajanje DNK, transkripcija in mitoza. Cell Biology International Reports, 16 (8): 717–724. doi: 10.1016 / s0309-1651 (05) 80016-5
2. Chhatriwala, H., Jafri, N., & Salgia, R. (2006). Pregled inhibicije topoizomeraze pri pljučnem raku. Biologija in terapija raka, 5 (12): 1600–1607. doi: 10.4161 / cbt.5.12.3546
3. Ho, Y.-P., Au-Yeung, SCF, & To, KKW (2003). Sredstva proti raku na osnovi platine: Inovativne strategije oblikovanja in biološka perspektiva. Medicinski raziskovalni pregledi, 23 (5): 633–655. doi: 10.1002 / med.10038
4. Li, T.-K., & Liu, LF (2001). Smrt tumorskih celic, ki ga povzročajo zdravila, usmerjena v topoizomerazo. Letni pregled farmakologije in toksikologije, 41 (1): 53–77. doi: 10.1146 / annurev.pharmtox.41.1.53
5. Liu, LF (1994). DNA topoizomeraze: droge, usmerjene v topoizomerazo. Akademski tisk. str. 307
6. Osheroff, N. in Bjornsti, M. (2001). DNA topoizomeraza. Encimologija in zdravila. Letnik II. Humana Press. str. 329.
7. Rothenberg, ML (1997). Zaviralci topoizomeraze I: Pregled in posodobitev. Anali onkologije, 8 (9), 837–855. doi: 10.1023 / a: 1008270717294
8. Ryan B. (2009, 14. decembra). Topoizomeraza 1. in 2.. Pridobljeno s spletnega mesta youtube.com