TOPOISOMERÁZY: VLASTNOSTI, FUNKCE, TYPY A INHIBITORY - BIOLOGIE - 2025

Tyto topoizomerázy jsou enzymy isomerasy, typ modifikace topologii deoxyribonukleové kyseliny (DNA), generovat jak jeho odvíjení a nadšroubovicové vinutí jako jeho zvlnění.

Tyto enzymy mají specifickou roli při zmírnění torzního stresu na DNA, takže může dojít k důležitým procesům, jako je jeho replikace, transkripce DNA do messengerové ribonukleové kyseliny (mRNA) a rekombinace DNA.

Obrázek 1. Topoisomeráza II. Zdroj: Emw, z Wikimedia Commons

Enzymy topoisomerázy jsou přítomny v eukaryotických i prokaryotických buňkách. Jeho existenci předpovídali vědci Watson a Crick, když hodnotili omezení, která struktura DNA představovala, aby umožnila přístup k jejím informacím (uloženým v její nukleotidové sekvenci).

Abychom porozuměli funkcím topoisomeráz, je třeba vzít v úvahu, že DNA má stabilní strukturu s dvojitou spirálou, jejíž prameny jsou navinuté nad sebou.

Tyto lineární řetězce jsou tvořeny 2-deoxyribózou spojenou 5'-3 'fosfodiesterovými vazbami a dusíkatými bázemi uvnitř nich, jako jsou příčky spirálového schodiště.

Obrázek 2. Molekula DNA. Zdroj:

Topologická studie molekul DNA ukázala, že mohou předpokládat různé konformace závislé na jejich torzním napětí: od uvolněného stavu do různých stavů navíjení, které umožňují jejich zhutnění.

DNA molekuly s různými konformacemi se nazývají topoisomery. Lze tedy dojít k závěru, že topoisomerázy I a II mohou zvyšovat nebo snižovat torzní napětí molekul DNA a vytvářet jejich různé topoizomery.

Z možných topoizomerů DNA je nejběžnější konformace supercoil, který je velmi kompaktní. Dvojitá spirála DNA však musí být během různých molekulárních procesů také uvolněna topoisomerázami.

vlastnosti

Obecný mechanismus účinku

Některé topoisomerázy mohou relaxovat pouze negativní supercoily DNA nebo oba supercoily DNA: pozitivní a negativní.

Pokud je kruhová dvouřetězcová DNA odvíjena na své podélné ose a dojde k otáčení vlevo (ve směru hodinových ručiček), říká se, že je negativně supercoiled. Pokud je odbočka ve směru hodinových ručiček (proti směru hodinových ručiček), je kladně přebalená.

Obrázek 3. Negativně supercoiled, uvolněná a pozitivně supercoiled kruhová dvouřetězcová DNA. Zdroj: Fdardel, z Wikimedia Commons

Topoisomerázy mohou v zásadě:

- Usnadněte průchod řetězce DNA řezem v opačném řetězci (topoizomeráza typu I).

- Usnadněte průchod celé dvojité šroubovice samotným štěpením nebo štěpením v jiné odlišné dvojité šroubovici (topoisomeráza typu II).

Stručně řečeno, topoisomerázy působí štěpením fosfodiesterových vazeb v jednom nebo v obou řetězcích, které tvoří DNA. Potom modifikují stav navíjení vláken dvojité spirály (topoisomeráza I) nebo dvou dvojitých spirály (topoisomeráza II), aby se konečně znovu rozštěpily nebo spojily rozštěpené konce.

Topoisomerázy a buněčný cyklus

Ačkoli topoisomeráza I je enzym, který vykazuje vyšší aktivitu během S fáze (syntéza DNA), nepovažuje se za závislý na fázi buněčného cyklu.

Zatímco aktivita topoisomerázy II je aktivnější během logaritmické fáze buněčného růstu a v buňkách rychle rostoucích nádorů.

Funkce

Změna genů, které kódují topoisomerázy, je pro buňky smrtelná, což svědčí o důležitosti těchto enzymů. Mezi procesy, kterých se topoisomerázy účastní, patří:

Kompaktní skladování genetického materiálu

Topoisomerázy usnadňují ukládání genetických informací kompaktním způsobem, protože vytvářejí navíjení a supercoiling DNA, což umožňuje najít velké množství informací v relativně malém objemu.

Přístup ke genetickým informacím

Bez topoisomeráz a jejich jedinečných vlastností by přístup k informacím uloženým v DNA nebyl možný. To je způsobeno skutečností, že topoisomerázy periodicky uvolňují torzní napětí, které je generováno v dvojité šroubovici DNA, během jeho odvíjení, v procesech replikace, transkripce a rekombinace.

Obrázek 4. Replikace DNA. Viz topoisomeráza na začátku DNA vlásenky. Zdroj: LadyofHats přeložil Miguelsierra, přes Wikimedia Commons

Pokud se torzní napětí generované během těchto procesů neuvolní, může dojít k vadné expresi genu, k přerušení cirkulační DNA nebo chromozomu, dokonce k produkci buněčné smrti.

Regulace genové exprese

Konformační změny (v trojrozměrné struktuře) molekuly DNA vystavují specifické oblasti vnější straně, které mohou interagovat s proteiny vázajícími DNA. Tyto proteiny mají regulační funkci genové exprese (pozitivní nebo negativní).

Obrázek 5. Regulační protein genové exprese, v tomto případě zabraňuje expresi určitých genů. Zephyris na Wikipedii v anglickém jazyce

Stočený stav DNA, generovaný působením topoisomeráz, tak ovlivňuje regulaci genové exprese.

Zvláštnosti topoisomerázy II

Topoisomeráza II je nezbytná pro sestavení chromatidů, kondenzaci a dekondenzaci chromozomů a segregaci dceřiných molekul DNA během mitózy.

Tento enzym je také strukturním proteinem a jednou z hlavních složek buněčné jaderné matrice během mezifáze.

Druhy topoisomeráz

Existují dva hlavní typy topoisomeráz v závislosti na tom, zda jsou schopny štěpit jeden nebo dva řetězce DNA.

-Topoizomerázy typu I

Monomerní

Topoisomerázy typu I jsou monomery, které zmírňují negativní a pozitivní supercoily, které jsou produkovány vlásovým pohybem během transkripce a během replikačních a genových rekombinačních procesů.

Topoisomerázy typu I lze rozdělit na typy 1A a 1B. Posledně jmenované jsou ty, které se vyskytují u lidí, a jsou zodpovědné za relaxaci supercoiled DNA.

Tyrosin ve svém aktivním místě

Topoisomeráza 1B (Top1B) je tvořena 765 aminokyselinami rozdělenými do 4 specifických domén. Jedna z těchto domén má vysoce konzervovanou oblast obsahující aktivní místo tyrosinu (Tyr7233). Všechny topoisomerázy představují tyrosin ve svém aktivním místě se základní úlohou v celém katalytickém procesu.

Mechanismus účinku

Tyrosin na aktivním místě tvoří kovalentní vazbu s 3'-fosfátovým koncem řetězce DNA, který jej rozřeže a udržuje jej připojený k enzymu, zatímco jiné vlákno DNA prochází štěpením.

Průchod dalšího řetězce DNA skrze štěpené vlákno je dosažen díky konformační transformaci enzymu, který produkuje otevření dvojité šroubovice DNA.

Poté se topoisomeráza I vrací do své počáteční konformace a znovu váže štěpené konce. K tomu dochází procesem inverzním k rozkladu řetězce DNA v katalytickém místě enzymu. Nakonec topoisomeráza uvolňuje řetězec DNA.

Rychlost ligace DNA je vyšší než rychlost excize, čímž je zajištěna stabilita molekuly a integrita genomu.

Stručně řečeno, topoisomeráza typu I katalyzuje:

1. Štěpení pramene.
2. Průchod druhého řetězce štěpením.
3. Ligace štěpených konců.

-Type II topoisomerázy

Dimeric

Topoisomerázy typu II jsou dimerní enzymy, které štěpí oba řetězce DNA, čímž uvolňují supercoily, které se vytvářejí během transkripce a dalších buněčných procesů.

Na Mg závisí

Tyto enzymy potřebují hořčík (Mg ⁺⁺) a také potřebují energii, která pochází z porušení ATP trifosfátové vazby, kterou díky ATPáze využívají.

Dvě aktivní místa s tyrosinem

Lidské topoisomerázy II jsou velmi podobné těm z kvasinek (Saccharomyces cerevisiae), které se skládají ze dvou monomerů (subfragmenty A a B). Každý monomer má doménu ATPázy a v sub fragmentu aktivní místo tyrosinu 782, ke kterému se může DNA vázat. Dva řetězce DNA se tedy mohou vázat na topoisomerázu II.

Mechanismus účinku

Mechanismus účinku topoisomerázy II je stejný jako mechanismus popsaný pro topoisomerázu I, přičemž se bere v úvahu, že jsou rozštěpeny dva řetězce DNA, nikoli pouze jeden.

V aktivním místě topoisomerázy II je fragment s dvojitou spirálou DNA, nazývaný „fragment G“, stabilizován (kovalentní vazbou s tyrosinem). Tento fragment je vyříznut a držen pohromadě k aktivnímu místu kovalentními vazbami.

Enzym pak umožňuje dalšímu fragmentu DNA, nazývanému „fragment T“, projít štěpeným fragmentem „G“, díky konformační změně enzymu, která je závislá na hydrolýze ATP.

Topoisomeráza II váže dva konce "G fragmentu" a nakonec obnovuje svůj původní stav, uvolňující "G" fragment. DNA pak uvolňuje torzní napětí, což umožňuje replikaci a transkripci.

- Lidské topoisomerázy

Lidský genom má pět topoisomeráz: top1, top3a, top3p (typ I); a top2a, top2p (typu II). Nejvýznamnější lidské topoisomerázy jsou top1 (topoisomeráza typu IB) a 2a (topoizomeráza typu II).

Inhibitory topoisomerázy

-Topoizomerázy jako cíl chemického útoku

Protože procesy katalyzované topoisomerázami jsou nezbytné pro přežití buněk, jsou tyto enzymy dobrým cílem útoku na ovlivnění maligních buněk. Z tohoto důvodu jsou topoisomerázy považovány za důležité při léčbě mnoha lidských chorob.

Léky, které interagují s topoisomerázami, jsou v současné době široce studovány jako chemoterapeutické látky proti rakovinným buňkám (v různých orgánech těla) a patogenním mikroorganismům.

- Typy inhibice

Léky, které inhibují aktivitu topoisomerázy, mohou:

• Sendviče v DNA.
• Ovlivňují enzym topoisomerázu.
• Interkalovat se v molekule blízké aktivnímu místu enzymu, zatímco je komplex DNA-topoisomeráza stabilizován.

Stabilizace přechodného komplexu, který je vytvářen vazbou DNA na tyrosin katalytického místa enzymu, zabraňuje vazbě štěpených fragmentů, což může vést k buněčné smrti.

-Topoisomerázové inhibitory léčiv

Mezi sloučeniny, které inhibují topoisomerázy, patří následující.

Protinádorová antibiotika

Antibiotika se používají proti rakovině, protože brání růstu nádorových buněk a obvykle interferují s jejich DNA. Často se nazývají antineoplastická (rakovinná) antibiotika. Actinomycin D například ovlivňuje topoisomerázu II a používá se u Wilmsových nádorů u dětí a rabdomyosarkomů.

Antracykliny

Antracykliny patří mezi antibiotika, patří k nejúčinnějším protirakovinovým lékům a mají nejširší spektrum. Používají se k léčbě rakoviny plic, vaječníků, dělohy, žaludku, močového měchýře, prsu, leukémie a lymfomů. Je známo, že ovlivňuje topoisomerázu II interkalací v DNA.

Prvním antracyklinem izolovaným z aktinobakterií (Streptomyces peucetius) byl daunorubicin. Následně byl doxorubicin syntetizován v laboratoři a dnes se také používá epirubicin a idarubicin.

Antrachinony

Antrachinony nebo anthracenediones jsou sloučeniny odvozené od anthracenu, podobné antracyklinům, které ovlivňují aktivitu topoisomerázy II interkalací v DNA. Používají se pro metastazující rakovinu prsu, non-Hodgkinův lymfom (NHL) a leukémii.

Tyto léky byly nalezeny v pigmentech některých hmyzu, rostlin (frangula, senna, rebarbora), lišejníků a hub; stejně jako v hoelitu, což je přírodní minerál. V závislosti na vaší dávce mohou být karcinogenní.

Mezi těmito sloučeninami máme mitoxantron a jeho analog, losoxantron. Zabraňují proliferaci maligních nádorových buněk a nevratně se váží na DNA.

Epidophyllotoxiny

Podofylotoxiny, jako jsou epidophyllotoxiny (VP-16) a teniposid (VM-26), tvoří komplex s topoisomerázou II. Používají se mimo jiné proti rakovině plic, rakovině varlat, leukémii, lymfomům, rakovině vaječníků, karcinomu prsu a maligním intrakraniálním nádorům. Podophyllum notatum a P. peltatum jsou izolovány z rostlin.

Analogy kamptothecinu

Campotheciny jsou sloučeniny, které inhibují topoisomerázu I, včetně irinotekanu, topotekanu a diflomotekanu.

Tyto sloučeniny byly použity proti rakovině tlustého střeva, plic a prsu a získávají se přirozeně z kůry a listů stromového druhu Camptotheca acuminata z čínských a tibetských kornác.

Přirozená inhibice

Strukturální změny topoisomeráz I a II se mohou vyskytovat také zcela přirozeně. K tomu může dojít během některých událostí, které ovlivňují váš katalytický proces.

Tyto změny zahrnují tvorbu pyrimidinových dimerů, nesouladů dusíkové báze a dalších událostí způsobených oxidačním stresem.

Reference

1. Anderson, H., & Roberge, M. (1992). DNA topoisomeráza II: Přehled jejího zapojení do struktury chromozomů, replikace DNA, transkripce a mitózy. Cell Biology International Reports, 16 (8): 717–724. doi: 10,016 / s0309-1651 (05) 80016-5
2. Chhatriwala, H., Jafri, N., & Salgia, R. (2006). Přehled inhibice topoisomerázy u rakoviny plic. Cancer Biology & Therapy, 5 (12): 1600–1607. doi: 10,4161 / cbt 5,12,3546
3. Ho, Y.-P., Au-Yeung, SCF & To, KKW (2003). Protinádorové látky na bázi platiny: Inovativní strategie designu a biologické perspektivy. Medicinal Research Reviews, 23 (5): 633–655. doi: 10 1002 / med. 10038
4. Li, T.-K., & Liu, LF (2001). Smrt nádorových buněk indukovaná léky zaměřenými na topoisomerázu. Roční přehled farmakologie a toxikologie, 41 (1): 53–77. doi: 10,1146 / annurev.pharmtox.41.1.53
5. Liu, LF (1994). DNA topoisomerázy: léky zaměřené na topoisomerázu. Academic Press. str. 307
6. Osheroff, N. a Bjornsti, M. (2001). DNA topoisomeráza. Enzymologie a drogy. Vol. II. Humana Press. str. 329.
7. Rothenberg, ML (1997). Inhibitory topoisomerázy I: Recenze a aktualizace. Annals of Oncology, 8 (9), 837–855. doi: 10,1263 / a: 1008270717294
8. Ryan B. (2009, 14. prosince). Topoisomeráza 1 a 2.. Obnoveno z youtube.com