TOPOIZOMERAZE: KARAKTERISTIKE, FUNKCIJE, VRSTE I INHIBITORI - BIOLOGIJA - 2026

Su topoizomeraza enzimi izomeraze tip modifikacijom topologiju deoksiribonukleinske kiseline (DNA), stvaraju svoje odmotavanje i oba supercoiling kao njegov rotor.

Ovi enzimi imaju specifičnu ulogu u oslobađanju torzijskog stresa na DNA, tako da se mogu dogoditi važni procesi poput njegove replikacije, transkripcije DNK u mesijansku ribonukleinsku kiselinu (mRNA) i rekombinacije DNK.

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

Enzimi topoizomeraze prisutni su i u stanicama eukariota i prokariota. Znanstvenici Watson i Crick predviđali su njegovo postojanje, procjenjujući ograničenja koja je struktura DNA predstavila kako bi omogućila pristup njenim informacijama (pohranjenim u nukleotidnom slijedu).

Da bismo razumjeli funkcije topoizomeraza, mora se uzeti u obzir da DNK ima stabilnu strukturu s dvostrukom spiralom, s nitima namočenima jedna preko druge.

Ti linearni lanci sastoje se od 2-deoksiriboze povezane 5'-3 'fosfodiesterskim vezama i dušičnim bazama unutar njih, poput traka spiralnog stubišta.

Slika 2. Molekul DNK. Izvor:

Topološka studija molekula DNA pokazala je da oni mogu pretpostaviti različite konformacije ovisno o torzijskom naprezanju: od opuštenog stanja do različitih stanja namotavanja koje omogućavaju njihovo sabijanje.

Molekule DNK različite konformacije nazivaju se topoizomeri. Stoga možemo zaključiti da topoizomeraze I i II mogu povećati ili smanjiti torzijski stres molekula DNA, tvoreći njihove različite topoizomere.

Među mogućim DNK topoizomerima, najčešći oblik je supervojnica, koja je vrlo kompaktna. No, dvostruka spirala DNA također se mora odviti topoizomerazama tijekom različitih molekularnih procesa.

karakteristike

Opći mehanizam djelovanja

Neke topoizomeraze mogu opustiti samo negativne superkoke DNA ili obje superkoke DNA: pozitivne i negativne.

Ako se kružna dvolančana DNA odmota na svojoj dugoj osi i pojavi se zavoj lijevo (u smjeru kazaljke na satu), kaže se da se negativno prekriva. Ako je skretanje u smjeru suprotnom od kazaljke na satu, ono se pozitivno premaže.

Slika 3. Negativno supermotani, opušteni i pozitivno superpokriveni kružni dvolančani DNK. Izvor: Fdardel, iz Wikimedia Commons

U osnovi, topoizomeraze mogu:

- Usmjerite prolazak DNA lanaca kroz rez u suprotnom lancu (topoizomeraza I tipa).

- Usmjerite prolazak kompletne dvostruke spirale kroz sam rascjep ili kroz cijepanje druge različite dvostruke spirale (tip II topoizomeraze).

Ukratko, topoizomeraze djeluju cijepanjem fosfodiesterskih veza, u jednom ili u oba lanca koja čine DNA. Zatim modificiraju stanje namotavanja nizova dvostruke spirale (topoizomeraza I) ili dviju dvostrukih spirala (topoizomeraza II), da bi konačno ponovno povezali ili vezali cijepljene krajeve.

Topoizomeraze i stanični ciklus

Iako je topoizomeraza I enzim koji pokazuje veću aktivnost tijekom S faze (sinteza DNA), ne smatra se da ovisi o fazi staničnog ciklusa.

Dok je aktivnost topoizomeraze II aktivnija tijekom logaritamske faze rasta stanica i u stanicama brzorastućih tumora.

Značajke

Promjena gena koji kodiraju topoizomeraze smrtonosna je za stanice što dokazuje važnost tih enzima. Među procesima u kojima sudjeluju topoizomeraze su:

Kompaktno skladištenje genetskog materijala

Topoizomeraze olakšavaju pohranu genetskih informacija na kompaktni način, jer stvaraju namotavanje i prekrivanje DNK, omogućujući pronalazak velike količine informacija u relativno malom volumenu.

Pristup genetskim informacijama

Bez topoizomeraza i njihovih jedinstvenih karakteristika, pristup informacijama pohranjenim u DNK bio bi nemoguć. To je zbog činjenice da topoizomeraze periodično oslobađaju torzijski stres koji nastaje u dvostrukoj spirali DNA tijekom njegovog odmotavanja, u procesima replikacije, transkripcije i rekombinacije.

Slika 4. Replikacija DNK. Pogledajte topoizomerazu na početku DNK ukosnica. Izvor: LadyofHats preveo Miguelsierra, putem Wikimedia Commonsa

Ako se torzijski stres nastao tijekom tih procesa ne oslobodi, može doći do oštećenja ekspresije gena, prekida kružne DNK ili kromosoma, čak do stvaranja stanične smrti.

Regulacija ekspresije gena

Konformacijske promjene (u trodimenzionalnoj strukturi) molekule DNA izlažu specifične regije izvana, koje mogu komunicirati s proteinima koji vežu DNA. Ovi proteini imaju regulatornu funkciju ekspresije gena (pozitivnu ili negativnu).

Slika 5. Regulativni protein ekspresije gena, u ovom slučaju sprečava ekspresiju određenih gena. Zephyris na engleskom Wikipediji

Dakle, stanje namotavanja DNA, nastalo djelovanjem topoizomeraza, utječe na regulaciju ekspresije gena.

Posebnosti topoizomeraze II

Topoizomeraza II potrebna je za skupljanje kromatida, za kondenzaciju i dekondenzaciju kromosoma i za segregaciju kćerinskih molekula DNA tijekom mitoze.

Ovaj enzim je također strukturni protein i jedan od glavnih sastojaka matriksa stanične jezgre tijekom interfaze.

Vrste topoizomeraza

Postoje dvije glavne vrste topoizomeraza, ovisno o tome jesu li sposobni cijepati jednu ili dvije niti DNA.

-Topoizomeraze tip I

monomerna

Topoizomeraze tipa I su monomeri koji ublažavaju negativne i pozitivne superkolike koje nastaju kretanjem ukosnica tijekom transkripcije i tijekom procesa replikacije i rekombinacije gena.

Topoizomeraze tipa I mogu se podijeliti na tip 1A i tip 1B. Potonji su oni koji se nalaze u ljudima i oni su odgovorni za opuštanje superhlađene DNK.

Tirozin u svom aktivnom mjestu

Topoizomerazu 1B (Top1B) čini 765 aminokiselina podijeljenih u 4 specifične domene. Jedna od tih domena ima visoko očuvano područje koje sadrži mjesto aktivnog tirozina (Tyr7233). Sve topoizomeraze predstavljaju tirozin na svom aktivnom mjestu s temeljnom ulogom u cijelom katalitičkom procesu.

Mehanizam djelovanja

Tirozin na aktivnom mjestu tvori kovalentnu vezu s 3'-fosfatnim koncem lanca DNA, presijecajući ga i držeći ga spojenog za enzim, dok drugi lanac DNA prolazi kroz cijepanje.

Prolazak drugog lanca DNA kroz podijeljeni niz postiže se zahvaljujući konformacijskoj transformaciji enzima, koja stvara otvaranje dvostruke spirale DNA.

Tada se topoizomeraza I vraća svojoj početnoj konformaciji i ponovo veže cijepljene krajeve. To se događa procesom obratnim za raspad lanaca DNA, na katalitičkom mjestu enzima. Konačno, topoizomeraza oslobađa lanac DNA.

Brzina vezivanja DNA veća je od brzine ekscizije, čime se osigurava stabilnost molekule i integritet genoma.

Ukratko, topoizomeraza tipa I katalizira:

1. Cijepanje niti.
2. Prolazak drugog pramena kroz cijev.
3. Vezanje cijepljenih krajeva.

-Type II topoizomeraze

dimemi

Topoizomeraze tipa II su dimerni enzimi koji cijepaju oba lanca DNK i opuštaju superkokele koje nastaju tijekom transkripcije i drugih staničnih procesa.

Mg ovisan

Ovim enzimima potreban je magnezij (Mg ⁺⁺), a također im treba i energija koja dolazi od razbijanja ATP trifosfatne veze, što oni iskorištavaju zahvaljujući ATPazi.

Dvije aktivne stranice s tirozinom

Ljudska topoizomeraza II vrlo je slična onima iz kvasca (Saccharomyces cerevisiae) koja se sastoji od dva monomera (podfragmenta A i B). Svaki monomer ima domenu ATPaze, a u pod fragmentu je aktivni site tirozin 782, na koji se DNA može vezati. Tako se dva lanca DNA mogu vezati za topoizomerazu II.

Mehanizam djelovanja

Mehanizam djelovanja topoizomeraze II isti je kao onaj opisan za topoizomerazu I s obzirom na to da su dvije lance DNA razdvojene, a ne samo jedna.

Na aktivnom mjestu topoizomeraze II stabiliziran je fragment DNA s dvostrukom spiralom, nazvan "fragment G" (kovalentnim vezanjem s tirozinom). Taj se fragment izrezuje i drži ga na aktivnom mjestu kovalentnim vezama.

Enzim zatim omogućuje da drugi fragment DNA, nazvan "T fragment", prođe kroz cijepljeni fragment "G", zahvaljujući konformacijskoj promjeni enzima, koja je ovisna o hidrolizi ATP-a.

Topoizomeraza II veže dva kraja "G fragmenta" i konačno oporavlja svoje početno stanje, oslobađajući "G" fragment. DNA tada opušta torzijski stres, omogućujući ponavljanje i transkripciju.

-Ljudske topoizomeraze

Ljudski genom ima pet topoizomeraza: top1, top3α, top3β (tip I); i top2α, top2β (tipa II). Najrelevantnije ljudske topoizomeraze su top1 (tip IB topoizomeraze) i 2α (tip II topoizomeraze).

Inhibitori topoizomeraze

-Topoizomeraze kao meta kemijskog napada

Budući da su procesi katalizirani topoizomerazom neophodni za opstanak stanica, ovi enzimi su dobra meta napada kako bi utjecali na maligne stanice. Iz tog razloga se topoizomeraze smatraju važnim u liječenju mnogih ljudskih bolesti.

Lijekovi koji stupaju u interakciju s topoizomerazom se trenutno široko proučavaju kao kemoterapijske tvari protiv stanica raka (u različitim organima tijela) i patogenih mikroorganizama.

-Vrste inhibicije

Lijekovi koji inhibiraju aktivnost topoizomeraze mogu:

• U sendviču na DNK.
• Utječe enzim topoizomeraza.
• Interkalirati u molekuli koja je blizu aktivnog mjesta enzima, dok je kompleks DNA-topoizomeraze stabiliziran.

Stabilizacija prolaznog kompleksa koja nastaje vezanjem DNK na tirozin katalitičkog mjesta enzima, sprječava vezanje cijepljenih fragmenata, što može dovesti do stanične smrti.

Lijekovi koji inhibiraju topoizomerazu

Među spojevima koji inhibiraju topoizomeraze su sljedeći.

Antitumorski antibiotici

Antibiotici se koriste protiv raka, jer sprečavaju rast tumorskih stanica, obično ometajući njihov DNK. To se često naziva antineoplastični (karcinom) antibiotici. Na primjer, aktinomicin D utječe na topoizomerazu II, a koristi se kod Wilmsovih tumora u djece i rabdomiosarkoma.

antraciklinc

Antraciklini spadaju među antibiotike, jedan od najučinkovitijih lijekova protiv raka i sa najširijim spektrom. Koriste se za liječenje raka pluća, jajnika, maternice, želuca, mjehura, dojke, leukemije i limfoma. Poznato je da utječe na topoizomerazu II interkacijom u DNK.

Prvi antraciklin izoliran iz aktinobakterija (Streptomyces peucetius) bio je daunorubicin. Nakon toga u laboratoriju je sintetiziran doksorubicin, a danas se koriste i epirubicin i idarubicin.

antrakinona

Antrakinoni ili antracendioni su spojevi izvedeni iz antracena, slični antraciklinima, koji utječu na aktivnost topoizomeraze II interkacijom u DNK. Koriste se za metastatski karcinom dojke, ne-Hodgkinov limfom (NHL) i leukemiju.

Ovi lijekovi su pronađeni u pigmentima nekih insekata, biljaka (frangula, senna, rabarbara), lišajeva i gljiva; kao i u hoelitu koji je prirodni mineral. Ovisno o dozi, mogu biti kancerogene.

Među tim spojevima imamo mitoksantron i njegov analog, losoxantron. One sprječavaju proliferaciju zloćudnih tumorskih stanica, nepovratno se vežući za DNK.

Epidofilotoksini

Podofilotoksini, poput epidofilotoksina (VP-16) i tenipozida (VM-26), tvore kompleks s topoizomerazom II. Koriste se protiv raka pluća, raka testisa, leukemije, limfoma, raka jajnika, karcinoma dojke i malignih intrakranijalnih tumora. Podophyllum notatum i P. peltatum izolirani su iz biljaka.

Analozi kamptotecina

Kampotecini su spojevi koji inhibiraju topoizomerazu I, uključujući irinotekan, topotekan i diflomotekan.

Ovi spojevi koriste se protiv raka debelog crijeva, pluća i dojke, a dobivaju se prirodno iz kore i lišća arborealne vrste Camptotheca acuminata iz kineske i tibetanske kukuruza.

Prirodna inhibicija

Strukturne promjene topoizomeraza I i II mogu se također dogoditi potpuno prirodno. To se može dogoditi tijekom nekih događaja koji utječu na vaš katalitički proces.

Ove promjene uključuju stvaranje pirimidinskih dimera, neusklađenost dušične baze i druge događaje uzrokovane oksidativnim stresom.

Reference

1. Anderson, H., i Roberge, M. (1992). DNA topoizomeraza II: pregled njegove uključenosti u strukturu kromosoma, replikaciju DNA, transkripciju i mitozu. 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 kod raka pluća. Biologija i terapija raka, 5 (12): 1600–1607. doi: 10.4161 / cbt.5.12.3546
3. Ho, Y.-P., Au-Yeung, SCF, & To, KKW (2003). Antikancerogena sredstva na bazi platine: Inovativne strategije dizajna i biološka perspektiva. Pregled medicinskih istraživanja, 23 (5): 633–655. doi: 10.1002 / med.10038
4. Li, T.-K., & Liu, LF (2001). Smrt tumorskih stanica induciran lijekovima koji ciljaju topoizomerazu. Godišnji pregled farmakologije i toksikologije, 41 (1): 53–77. doi: 10.1146 / annurev.pharmtox.41.1.53
5. Liu, LF (1994). DNA topoizomeraze: lijekovi koji ciljaju topoizomerazu. Akademska štampa. pp 307
6. Osheroff, N. i Bjornsti, M. (2001). DNA topoizomeraza. Enzimologija i lijekovi. Svezak II. Humana Press. pp 329.
7. Rothenberg, ML (1997). Inhibitori topoizomeraze I: Pregled i ažuriranje. Anali onkologije, 8 (9), 837–855. doi: 10.1023 / a: 1008270717294
8. Ryan B. (2009, 14. prosinca). Topoizomeraza 1. i 2.. Oporavilo s youtube.com