Topoisomeraser egenskaper, funksjoner, typer og inhibitorer



den topoisomeraser er en type isomeraseenzymer som modifiserer topologi av deoksyribonukleinsyre (DNA), og genererer både dens avvikling som vikling og supercoiling.

Disse enzymer har en spesifikk rolle i lindrende vridningspåkjenning i DNA for slike viktige prosesser som replikering kan forekomme, transkripsjon av DNA til budbringer ribonukleinsyre (mRNA) og DNA-rekombinasjon.

Topoisomerase enzymer er tilstede i både eukaryotiske og prokaryote celler. Dens eksistens var spådd av forskerne Watson og Crick, når de evaluerte begrensningene som DNA-strukturen presenterte for å tillate tilgang til sin informasjon (lagret i nukleotidsekvensen).

For å forstå funksjonene til topoisomeraser må det vurderes at DNA har en stabil struktur av dobbelt helix, med kjedene som er rullet over hverandre.

Disse lineære kjeder er dannet av to-desoxiribosas festet med fosfordiesterbindinger 5'-3', og inne nitrogenbaser, som trinnene på en stige formet spiral.

Den topologiske studien av DNA-molekyler har vist at de kan påta seg flere konformasjoner avhengig av deres torsjonsspenning: fra en avslappet tilstand til forskjellige viklingsforhold som tillater deres komprimering.

DNA molekyler med forskjellige konformasjoner kalles topoisomerer. Dermed kan vi konkludere med at topoisomerasene I og II kan øke eller redusere torsjonsspenningen av DNA-molekylene, danner deres forskjellige topoisomerer.

Blant de mulige DNA-topoisomerer er den vanligste konformasjonen supercoiling, noe som er svært kompakt. Den dobbelte helixen av DNA må imidlertid også uncoiled av topoisomeraser under flere molekylære prosesser.

index

  • 1 Egenskaper
    • 1.1 Mekanisme for generell tiltak
    • 1.2 Topoisomeraser og celle syklus
  • 2 funksjoner
    • 2.1 Kompakt lagring av genetisk materiale
    • 2.2 Tilgang til genetisk informasjon
    • 2.3 Regulering av genuttrykk
    • 2.4 Spesielle egenskaper av topoisomerase II
  • 3 Typer av topoisomeraser
    • 3.1-Topoisomeraser type I
    • 3,2-topoisomeraser type II
    • 3.3 - Human topoisomeraser
  • 4 topoisomeraseinhibitorer
    • 4.1-Topoisomeraser som et mål for kjemisk angrep
    • 4.2-typer inhibering
    • 4.3 - Topoisomerase inhibitor medikamenter
  • 5 referanser

funksjoner

Mekanisme for generell handling

Noen topoisomeraser kan slappe av bare negative DNA-supercoils, eller begge DNA-supercoils: positive og negative.

Hvis det sirkulære dobbeltstrengede DNA er viklet ut på sin langsgående akse og en venstrehåndet sving oppstår (med urviseren), sies det å være supercoiled negativt. Hvis svingen er med urviseren (mot urviseren), er den positivt superspolet.

I utgangspunktet kan topoisomeraser:

-Forenkle passasjen av en streng av DNA gjennom et kutt i motsatt streng (topoisomerase type I).

-Tilrettelegge gjennomføringen av en komplett dobbelthelix gjennom en splittelse i seg selv eller gjennom en splittelse i en annen annen dobbeltsykkel (topoisomerase type II).

Oppsummert virker topoisomeraser gjennom spaltning av fosfodiesterbindinger, i en eller begge tråder som utgjør DNA. Deretter modifisere tilstanden for vikling av tråder i et dobbelttrådet heliks (topoisomerase I) eller to dobbeltskruelinjer (topoisomerase II), og kommer til slutt til å knytte eller binde de spaltede endene.

Topoisomeraser og celle syklus

Selv om topoisomerase I er et enzym som utviser større aktivitet i S-fase (DNA-syntese), regnes det ikke for å være avhengig av en fase i cellesyklusen.

Mens topoisomerase II-aktiviteten er mer aktiv i den logaritmiske fasen av cellevekst og i cellene i de raskt voksende svulstene.

funksjoner

Endringen av gener som koder for topoisomeraser er dødelig for cellene, som viser betydningen av disse enzymene. Blant prosessene der topoisomeraser deltar, er:

Kompakt lagring av genetisk materiale

Topoisomeraser letter oppbevaring av genetisk informasjon på en kompakt måte, fordi de genererer DNA-coiling og supercoiling, slik at en stor mengde informasjon kan bli funnet i et relativt lite volum.

Tilgang til genetisk informasjon

Hvis det ikke var noen topoisomeraser og deres unike egenskaper, ville det være umulig å få tilgang til informasjonen lagret i DNA. Dette skyldes at topoisomeraser periodisk frigjør spenningen ved vridning som genereres i DNA's dobbelte helix under avviklingen i replikasjonsprosessene, transkripsjon og rekombinasjon.

Hvis spenningen som følge av torsjon generert under disse prosessene ikke frigjøres, kan den gi en defekt genuttrykk, avbrudd av det sirkulære DNA eller kromosomet, selv produsere celledød.

Regulering av genuttrykk

Konformasjonsendringene (i den tredimensjonale strukturen) av DNA-molekylet eksponerer bestemte regioner til utsiden, som kan interagere med DNA-bindende proteiner. Disse proteinene har en regulerende funksjon av genuttrykk (positiv eller negativ).

Dermed påvirker tilstanden av DNA-vikling, generert ved virkningen av topoisomeraser, reguleringen av genuttrykk.

Spesifikasjoner av topoisomerase II

Topoisomerase II er nødvendig for montering av kromatider, kondensasjon og dekondensasjon av kromosomer og segregering av datter-DNA-molekyler under mitose.

Dette enzymet er også et strukturprotein og en av hovedbestanddelene i matriksen til cellekjernen under interfasen.

Typer av topoisomeraser

Det er to hovedtyper av topoisomeraser avhengig av om de er i stand til å kløve en eller to DNA-tråder.

-Topoisomeraser type I

monomere                 

Topoisomerase type I er monomerer som lindre supercoils negativ og positiv, som er produsert ved den bevegelse av gaffelen under transkripsjon og replikasjon i prosesser og genrekombinasjons.

Type I topoisomeraser kan deles inn i type 1A og type 1B. Sistnevnte er de som finnes hos mennesker, og er ansvarlige for å slappe av det supercoiled DNA.

Tyrosin i sitt aktive sted

Topoisomerase 1B (Top1B) består av 765 aminosyrer delt inn i 4 spesifikke domener. En av disse domenene har et svært konsentrert område som inneholder det aktive stedet med tyrosin (Tyr7233). Alle topoisomeraser presenterer i sitt aktive sted en tyrosin med en grunnleggende rolle i hele katalytiske prosessen.

Handlingsmekanisme

Tyrosin aktive sete danner en kovalent binding med den 3'-fosfat-gruppe i DNA-kjeden, skjæring og holding bundet til enzymet, mens en annen DNA-tråd som passerer gjennom spalting.

Passeringen av den andre streng av DNA gjennom den ekskluderte strengen oppnås takket være en konformasjonell transformasjon av enzymet, som frembringer åpningen av DNA-dobbelt-helixen.

Så vender topoisomerasen I tilbake til sin opprinnelige konformasjon og binder igjen de utskårne ender. Dette skjer ved en prosess som er inverse til brudd av DNA-kjeden, i enzymets katalytiske sted. Endelig frigir topoisomerasen DNA-strengen.

DNA-ligeringshastigheten er høyere enn eksisjonshastigheten, som sikrer stabiliteten til molekylet og integriteten til genomet.

Sammendrag katalyserer topoisomerase type I:

  1. Utskåret av en streng.
  2. Passeringen av den andre strengen gjennom splittet.
  3. Leksjonen av splittet ender.

-Topoisomeraser type II

dimer

Type II-topoisomeraser er dimeriske enzymer, som spalter begge DNA-strengene, og dermed slipper de supercoils som genereres under transkripsjon og andre cellulære prosesser.

Mg Avhengige++ og ATP

Disse enzymene trenger magnesium (Mg++) og trenger også energien som kommer fra nedbrytingen av ATP-trifosfat-lenken, som de benytter takket være en ATPase.

To aktive steder med tyrosin

Humane topoisomeraser II er svært lik gisestoffet (Saccharomyces cerevisiae), som består av to monomerer (delfragmenter A og B). Hver monomer har et ATPase-domene, og i et subfragment tyrosin-aktivstedet 782, til hvilket DNAet kan binde. Derfor kan to tråder av DNA bli forbundet med topoisomerase II.

Handlingsmekanisme

Virkningsmekanismen for topoisomerase II er den samme som den som er beskrevet for topoisomerase I, i betraktning at to DNA-kjeder er spaltet og ikke bare en.

I det aktive stedet for topoisomerase II stabiliseres et fragment av proteinet (ved kovalent binding med tyrosin). dobbel helix av DNA, kalt "fragment G". Dette fragmentet spaltes og holdes bundet til det aktive stedet ved kovalente bindinger.

Deretter kan enzymet et annet DNA-fragment, kalt "T-fragment", passerer gjennom det spaltede fragment "G" på grunn av en konformasjonsforandring av enzymet, som er avhengig av ATP-hydrolyse.

Topoisomerase II binder de to ender av "fragmentet G" og til slutt gjenoppretter sin opprinnelige tilstand, frigjør fragmentet "G". Deretter slapper DNAet av torsjonsspenningen, slik at prosessene for replikasjon og transkripsjon oppstår.

-Humane topoisomeraser

Det menneskelige genomet har fem topoisomeraser: topp1, top3a, top3β (av type I); og top2a, top2β (av type II). De mest relevante humane topoisomeraser er top1 (topoisomerase type IB) og 2a (topoisomerase type II).

Topoisomeraseinhibitorer

-Topoisomeraser som mål for kjemisk angrep

Fordi prosessene katalysert av topoisomeraser er nødvendige for cellens overlevelse, er disse enzymene gode mål for angrep for å påvirke de maligne cellene. For dette anses topoisomeraser å være viktige i behandlingen av mange humane sykdommer.

Legemidler som interagerer med topoisomeraser, studeres for tiden som kjemoterapeutiske stoffer mot kreftceller (i forskjellige organer i kroppen) og patogene mikroorganismer.

-Typer av inhibering

Topoisomeraseaktivitetsinhiberende legemidler kan:

  • Inntak i DNA.
  • Påvirke topoisomerase enzymet.
  • Interleave til et molekyl nær det aktive stedet av enzymet mens DNA-topoisomeraskomplekset er stabilisert.

Stabiliseringen av det transiente komplekset som dannes ved binding av DNA til tyrosinet av det katalytiske stedet av enzymet, forhindrer forening av de ekskluderte fragmenter, som kan føre til celledød.

-Inhibitorer av topoisomeraser

Blant forbindelsene som hemmer topoisomeraser, er følgende.

Antitumor antibiotika

Antibiotika brukes mot kreft, siden de hindrer veksten av tumorceller, vanligvis ved å forstyrre deres DNA. De kalles ofte antineoplastiske antibiotika (mot kreft). Actinomycin D, for eksempel, påvirker topoisomerase II og brukes i Wilms tumorer hos barn og i rhabdomyosarkom.

antracykliner

Antracykliner er blant antibiotika de mest effektive anticancer medisinene og det bredeste spekteret. De brukes til behandling av lungekreft, eggstokkene, uterus, mage, blære, bryst, leukemi og lymfomer. Det er kjent å påvirke topoisomerase II ved interkalering i DNA.

Den første antracyklin isolert fra en actinobakterier (Streptomyces peucetius) var daunorubicin. Etterpå ble doxorubicin syntetisert i laboratoriet, og epirubicin og idarubicin brukes nå også..

anthraquinone

Antrakinoner eller antracendioner er forbindelser avledet fra antracen, ligner antracykliner, som påvirker aktiviteten til topoisomerase II ved interkalering i DNA. De brukes til metastatisk brystkreft, ikke-Hodgkins lymfom (NHL) og leukemi.

Disse stoffene ble funnet i pigmenter av enkelte insekter, planter (frangula, senna, rabarber), lav og sopp; så vel som i hoelitaen, som er et naturlig mineral. Avhengig av dose, kan de være kreftfremkallende.

Blant disse forbindelsene har vi mitoxantron og dets analoge losoksantron. Disse forhindrer spredning av ondartede tumorceller, bindende irreversibelt til DNA.

epipodophyllotoxiner

Podofyllotoksiner, slik som epidofilotoxiner (VP-16) og teniposid (VM-26), danner et kompleks med topoisomerase II. De er brukt mot kreft av lunge, testikulær, leukemi, lymfomer, eggstokkreft, brystkarsinom og maligne intrakranielle svulster, blant andre. De er isolert fra plantene Podofyllum notatum og P. peltatum.

Camptothecin analoger

Campoteciner er forbindelser som hemmer topoisomerase I, og blant dem er irinotekan, topotecan og diflomotecan.

Disse forbindelsene har blitt brukt mot kreft i tykktarmen, lungen og brystet, og er oppnådd naturlig fra barken og bladene til den arboreale arten Camptotheca acuminata av kinesiske fersken og Tibet.

Naturlig inhibering

Strukturelle endringer av topoisomeraser I og II kan også forekomme helt naturlig. Dette kan skje under noen hendelser som påvirker katalytisk prosess.

Blant disse endringene kan vi nevne dannelsen av pyrimidindimere, feiltilpasninger av nitrogenbaserte baser og andre hendelser forårsaket av oksidativ stress.

referanser

  1. Anderson, H., & Roberge, M. (1992). DNA topoisomerase II: En gjennomgang av sitt engasjement i kromosomstruktur, DNA-replikasjon, transkripsjon og mitose. Cellbiology International Reports, 16 (8): 717-724. doi: 10,1016 / s0309-1651 (05) 80016-5
  2. Chhatriwala, H., Jafri, N., & Salgia, R. (2006). En gjennomgang av topoisomeraseinhibering i lungekreft. Kreftbiologi og 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). Platinbaserte anticancermidler: Innovative designstrategier og biologiske perspektiver. Medisinsk forskning vurderinger, 23 (5): 633-655. doi: 10.1002 / med.10038
  4. Li, T.-K., & Liu, L.F. (2001). Tumorcelledød indusert av topoisomerase-Targeting Drugs. Årlig gjennomgang av 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. Enzymologi og narkotika. Vol. II. Humana Press. s. 329.
  7. Rothenberg, M. L. (1997). Topoisomerase I-inhibitorer: Gjennomgå og oppdatere. Anneks av onkologi, 8 (9), 837-855. doi: 10,1023 / a: 1008270717294
  8. Ryan B. (2009, desember 14). Topoisomerase 1 og 2. [Videofil]. Hentet fra youtube.com