Charakteristiky, funkcie, typy a inhibítory topoizomeráz



topoizomerázy sú typmi izomerázových enzýmov, ktoré modifikujú topológiu deoxyribonukleovej kyseliny (DNA), pričom vytvárajú ako svoje odvíjanie, tak ich navíjanie a supercoiling.

Tieto enzýmy majú špecifickú úlohu pri zmierňovaní torzného napätia v DNA, takže sa môžu vyskytnúť dôležité procesy, ako je jeho replikácia, transkripcia DNA v messenger ribonukleovej kyseline (mRNA) a rekombinácia DNA..

Enzýmy topoizomerázy sú prítomné v eukaryotických aj prokaryotických bunkách. Jeho existencia bola predpovedaná vedcami Watsonom a Crickom pri hodnotení obmedzení, ktoré prezentovala štruktúra DNA, aby umožnila prístup k jej informáciám (uloženým v nukleotidovej sekvencii)..

Aby bolo možné pochopiť funkcie topoizomeráz, je potrebné vziať do úvahy, že DNA má stabilnú štruktúru dvojitej špirály, pričom jej reťazce sú navinuté cez druhú..

Tieto lineárne reťazce sú tvorené 2-deoxyribózou spojenou fosfodiesterovými väzbami 5'-3 'a dusíkatými bázami v ich interiéri, podobne ako kroky točitého schodiska.

Topologická štúdia molekúl DNA ukázala, že môžu prevziať niekoľko konformácií v závislosti od ich torzného napätia: od uvoľneného stavu, po rôzne stavy vinutia, ktoré umožňujú ich zhutnenie.

Molekuly DNA s rôznymi konformáciami sa nazývajú topoizoméry. Môžeme teda dospieť k záveru, že topoizomerázy I a II môžu zvyšovať alebo znižovať torzné napätie molekúl DNA a vytvárať ich rôzne topoizoméry..

Medzi možnými topoizomérmi DNA je najbežnejšia konformácia, ktorá je veľmi kompaktná. Dvojitá špirála DNA však musí byť tiež odvinutá topoizomerázami počas niekoľkých molekulárnych procesov.

index

  • 1 Charakteristiky
    • 1.1 Mechanizmus všeobecných opatrení
    • 1.2 Topoizomerázy a bunkový cyklus
  • 2 Funkcie
    • 2.1 Kompaktné skladovanie genetického materiálu
    • 2.2 Prístup k genetickým informáciám
    • 2.3 Regulácia génovej expresie
    • 2.4 Osobitosti topoizomerázy II
  • 3 Typy topoizomeráz
    • 3.1-Topoizomerázy typu I
    • 3.2 -Topoizomerázy typu II
    • 3.3 - Ľudské topoizomerázy
  • 4 Inhibítory topoizomerázy
    • 4.1-Topoizomerázy ako cieľ chemického napadnutia
    • 4.2-Typy inhibície
    • 4.3 - Liečivá inhibujúce topoizomerázu
  • 5 Referencie

rysy

Mechanizmus všeobecných opatrení

Niektoré topoizomerázy môžu relaxovať len negatívne DNA supercoils, alebo obe DNA supercoils: pozitívne a negatívne.

Ak sa kruhová dvojvláknová DNA odvíja na svojej pozdĺžnej osi a dochádza k ľavotočivému otočeniu (v smere hodinových ručičiek), hovorí sa, že je superšpirála negatívne. Ak je zatáčka v smere hodinových ručičiek (proti smeru hodinových ručičiek), je pozitívne navíjaná.

V podstate topoizomerázy môžu:

-Uľahčiť priechod vlákna DNA cez rez v opačnom vlákne (topoizomeráza typu I).

-Uľahčiť priechod úplnej dvojitej špirály cez štrbinu samotnú, alebo rozštiepením v inej odlišnej dvojzávitnici (topoizomeráza typu II).

Stručne povedané, topoizomerázy pôsobia prostredníctvom štiepenia fosfodiesterových väzieb v jednom alebo obidvoch reťazcoch, ktoré tvoria DNA. Potom upravte stav navíjania vlákien dvojitej špirály (topoizomerázy I) alebo dvoch dvojzávitov (topoizomerázy II), aby sa konečne vrátil k väzbe alebo ligácii koncov vyrezaných.

Topoizomerázy a bunkový cyklus

Hoci topoizomeráza I je enzým, ktorý vykazuje väčšiu aktivitu počas S fázy (syntéza DNA), nepovažuje sa za závislý od fázy bunkového cyklu..

Zatiaľ čo aktivita topoizomerázy II je aktívnejšia počas logaritmickej fázy rastu buniek a v bunkách rýchlo rastúcich nádorov.

funkcie

Zmena génov kódujúcich topoizomerázy je pre bunky letálna, čo dokazuje dôležitosť týchto enzýmov. Medzi procesmi, na ktorých sa zúčastňujú topoizomerázy, patria:

Kompaktné skladovanie genetického materiálu

Topoizomerázy uľahčujú ukladanie genetických informácií kompaktným spôsobom, pretože generujú navíjanie DNA a superšpirálu, čo umožňuje nájsť veľké množstvo informácií v relatívne malom objeme..

Prístup k genetickým informáciám

Ak by neboli žiadne topoizomerázy a ich jedinečné vlastnosti, nebolo by možné získať prístup k informáciám uloženým v DNA. Je to preto, že topoizomerázy periodicky uvoľňujú napätie skrútením, ktoré je generované v dvojitej špirále DNA, počas jej odvíjania, v procesoch replikácie, transkripcie a rekombinácie.

Ak sa napätie spôsobené torziou vyvolanou počas týchto procesov neuvoľní, mohlo by to spôsobiť chybnú génovú expresiu, prerušenie kruhovej DNA alebo chromozómu, dokonca aj produkciu bunkovej smrti..

Regulácia génovej expresie

Konformačné zmeny (v trojrozmernej štruktúre) molekuly DNA vystavujú špecifické oblasti zvonku, ktoré môžu interagovať s proteínmi viažucimi DNA. Tieto proteíny majú regulačnú funkciu génovej expresie (pozitívnej alebo negatívnej).

Teda stav navíjania DNA, generovaný pôsobením topoizomeráz, ovplyvňuje reguláciu génovej expresie.

Osobitosti topoizomerázy II

Topoizomeráza II je nevyhnutná na zostavenie chromatidov, kondenzáciu a dekondenzáciu chromozómov a segregáciu dcérskych molekúl DNA počas mitózy.

Tento enzým je tiež štruktúrnym proteínom a jednou z hlavných zložiek matrice bunkového jadra počas interfázy.

Typy topoizomeráz

Existujú dva hlavné typy topoizomeráz v závislosti od toho, či sú schopné štiepiť jeden alebo dva reťazce DNA.

-Topoizomerázy typu I

monomérne                 

Topoizomerázy typu I sú monoméry, ktoré zmierňujú negatívne a pozitívne superšpirály, ktoré sú produkované pohybom vidlice počas transkripcie a počas procesov replikácie a rekombinácie génov.

Topoizomerázy typu I môžu byť rozdelené na typ 1A a typ 1B. Posledne menované sú tie, ktoré sa nachádzajú u ľudí a sú zodpovedné za relaxáciu superšpirálovej DNA.

Tyrozín v jeho aktívnom mieste

Topoizomeráza 1B (Top1B) sa skladá zo 765 aminokyselín rozdelených do 4 špecifických domén. Jedna z týchto domén má vysoko konzervovanú oblasť, ktorá obsahuje aktívne miesto s tyrozínom (Tyr7233). Všetky topoizomerázy sú prítomné v ich aktívnom mieste tyrozín so základnou úlohou v celom katalytickom procese.

Mechanizmus účinku

Tyrozín z aktívneho miesta tvorí kovalentnú väzbu s 3'-fosfátovým koncom reťazca DNA, odrezáva ho a drží ho naviazaný na enzým, pričom prechádza iným vláknom DNA cez excíziu..

Priechod druhého reťazca DNA cez vystrihnutý reťazec sa dosahuje vďaka konformačnej transformácii enzýmu, ktorá produkuje otvorenie dvojitej špirály DNA..

Potom sa topoizomeráza I vráti do svojej pôvodnej konformácie a opäť sa viaže na vyrezané konce. K tomu dochádza procesom inverzným k porušeniu reťazca DNA v katalytickom mieste enzýmu. Nakoniec topoizomeráza uvoľňuje reťazec DNA.

Rýchlosť ligácie DNA je vyššia ako rýchlosť excízie, čo zaisťuje stabilitu molekuly a integritu genómu.

Súhrnne topoizomerázový typ I katalyzuje:

  1. Vyrezanie vlákna.
  2. Prechod druhej vetvy cez rozdelenie.
  3. Ligácia delených koncov.

-Topoizomerázy typu II

dimerizovaných

Topoizomerázy typu II sú dimérne enzýmy, ktoré štiepia obidva reťazce DNA, čím sa uvoľňujú supercoils, ktoré sú generované počas transkripcie a iných bunkových procesov..

Mg Závislé++ a ATP

Tieto enzýmy potrebujú horčík (Mg)++) a tiež potrebujú energiu, ktorá pochádza z rozpadu ATP trifosfátového spojenia, ktoré využívajú vďaka ATPase.

Dve aktívne miesta s tyrozínom

Ľudské topoizomerázy II sú veľmi podobné tým kvasinkovým (Saccharomyces cerevisiae), ktorý sa skladá z dvoch monomérov (subfragmenty A a B). Každý monomér má doménu ATPázy a v subfragmente aktívne miesto 782, ktoré sa môže viazať. Preto môžu byť dve vlákna DNA spojené s topoizomerázou II.

Mechanizmus účinku

Mechanizmus účinku topoizomerázy II je rovnaký ako mechanizmus opísaný pre topoizomerázu I, pričom sa berie do úvahy, že sa štiepia dva reťazce DNA a nie iba jeden.

V aktívnom mieste topoizomerázy II je fragment proteínu stabilizovaný (prostredníctvom kovalentnej väzby s tyrozínom). dvojitá špirála DNA, nazývanej "fragment G". Tento fragment sa štiepi a udržuje viazaný k aktívnemu miestu kovalentnými väzbami.

Potom enzým umožňuje, aby ďalší fragment DNA, nazývaný "T fragment", prešiel fragmentom "G" štiepeným vďaka konformačnej zmene enzýmu, ktorá je závislá od hydrolýzy ATP..

Topoizomeráza II viaže dva konce "fragmentu G" a nakoniec obnovuje svoj pôvodný stav, pričom uvoľňuje fragment "G". Potom DNA uvoľní torzné napätie, čo umožní procesom replikácie a transkripcie.

-Ľudské topoizomerázy

Ľudský genóm má päť topoizomeráz: top1, top3a, top3p (typu I); a top2a, top2p (typu II). Najvýznamnejšie ľudské topoizomerázy sú top1 (topoizomeráza typu IB) a 2α (topoizomeráza typu II)..

Inhibítory topoizomerázy

-Topoizomerázy ako cieľ chemického napadnutia

Pretože procesy katalyzované topoizomerázami sú nevyhnutné pre prežitie buniek, tieto enzýmy sú dobrými cieľmi útoku na ovplyvnenie malígnych buniek. Na to sú topoizomerázy považované za dôležité pri liečbe mnohých ľudských ochorení.

Lieky, ktoré interagujú s topoizomerázami, sú v súčasnosti široko študované ako chemoterapeutické látky proti rakovinovým bunkám (v rôznych orgánoch tela) a patogénnym mikroorganizmom..

-Typy inhibície

Inhibítory aktivity topoizomerázy môžu:

  • Príjem do DNA.
  • Ovplyvní enzým topoizomerázy.
  • Vkladá sa do molekuly v blízkosti aktívneho miesta enzýmu, kým je komplex DNA-topoizomerázy stabilizovaný.

Stabilizácia prechodného komplexu, ktorý je tvorený väzbou DNA na tyrozín katalytického miesta enzýmu, zabraňuje spojeniu vyrezaných fragmentov, ktoré môžu viesť k bunkovej smrti..

-Inhibítory topoizomeráz

Medzi zlúčeninami, ktoré inhibujú topoizomerázy, patria nasledujúce zlúčeniny.

Protinádorové antibiotiká

Antibiotiká sa používajú proti rakovine, pretože zabraňujú rastu nádorových buniek, zvyčajne zasahovaním do ich DNA. Často sa nazývajú antineoplastické antibiotiká (proti rakovine). Actinomycín D napríklad ovplyvňuje topoizomerázu II a používa sa vo Wilmsových nádoroch u detí av rhabdomyosarkómoch.

antracyklíny

Antracyklíny sú medzi antibiotikami najúčinnejšími protirakovinovými liekmi a najširším spektrom. Používajú sa pri liečbe rakoviny pľúc, vaječníkov, maternice, žalúdka, močového mechúra, prsníka, leukémie a lymfómov. Je známe, že ovplyvňuje topoizomerázu II interkaláciou v DNA.

Prvý antracyklín izolovaný z aktinobaktérií (Streptomyces peucetius) bol daunorubicín. Potom sa doxorubicín syntetizoval v laboratóriu a teraz sa tiež používa epirubicín a idarubicín..

antrachinón

Antrachinóny alebo antracéndióny sú zlúčeniny odvodené od antracénu, podobné antracyklínom, ktoré ovplyvňujú aktivitu topoizomerázy II interkaláciou v DNA. Používajú sa pri metastatickom karcinóme prsníka, non-Hodgkinovom lymfóme (NHL) a leukémii.

Tieto liečivá sa našli v pigmentoch niektorých druhov hmyzu, rastlín (frángula, senna, rebarbora), lišajníkov a húb; ako aj v hoelite, ktorá je prírodným minerálom. V závislosti od dávky môžu byť karcinogénne.

Medzi týmito zlúčeninami máme mitoxantrón a jeho analóg losoxantrón. Tým sa zabráni proliferácii malígnych nádorových buniek, ktoré sa nevratne viažu na DNA.

epipodofyllotoxiny

Podofylotoxíny, ako sú epidofilotoxíny (VP-16) a teniposid (VM-26), tvoria komplex s topoizomerázou II. Používajú sa okrem iných aj proti rakovine pľúc, semenníkov, leukémie, lymfómov, rakoviny vaječníkov, karcinómu prsníka a malígnych intrakraniálnych nádorov. Izolujú sa z rastlín Podophyllum notatum a P. peltatum.

Analógy kamptotecínov

Campotecíny sú zlúčeniny, ktoré inhibujú topoizomerázu I a medzi nimi sú irinotekan, topotekán a diflomotekan..

Tieto zlúčeniny sa používajú proti rakovine hrubého čreva, pľúc a prsníkov a získavajú sa prirodzene z kôry a listov stromovitých druhov. Camptotheca acuminata čínskych broskýň a Tibetu.

Prirodzená inhibícia

Štrukturálne zmeny topoizomeráz I a II sa môžu tiež vyskytovať úplne prirodzene. Môže k tomu dôjsť počas niektorých udalostí, ktoré ovplyvňujú jeho katalytický proces.

Medzi týmito zmenami môžeme spomenúť tvorbu pyrimidínových dimérov, nesúlad dusíkatých báz a iných udalostí spôsobených oxidačným stresom..

referencie

  1. Anderson, H., & Roberge, M. (1992). DNA topoizomeráza II: Prehľad jej zapojenia do štruktúry chromozómov, replikácie DNA, transkripcie a mitózy. Cell Biology International Reports, 16 (8): 717-724. doi: 10,1016 / s0309-1651 (05) 80016-5
  2. Chhatriwala, H., Jafri, N., a Salgia, R. (2006). Prehľad inhibície topoizomerázy pri rakovine pľúc. Cancer Biology & Therapy, 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). Protinádorové činidlá na báze platiny: Inovačné stratégie dizajnu a biologické perspektívy. Medicinal Research Reviews, 23 (5): 633-655. doi: 10.1002 / med.10038
  4. Li, T.-K., & Liu, L.F. (2001). Nádorová bunková smrť vyvolaná topoizomerázovými cieliacimi liekmi. Annual Review of Pharmacology and Toxicology, 41 (1): 53-77. doi: 10.1146 / annurev.pharmtox.41.1.53
  5. Liu, L. F. (1994). DNA topoizomerázy: liečivá zamerané na topoizomerázu. Akademická tlač. pp 307
  6. Osheroff, N. a Bjornsti, M. (2001). DNA topoizomeráza. Enzymológia a liečivá. II. Humana Press. pp 329.
  7. Rothenberg, M.L. (1997). Inhibítory topoizomerázy I: Prehľad a aktualizácia. Annals of Oncology, 8 (9), 837-855. doi: 10,1023 / a: 1008270717294
  8. Ryan B. (2009, 14. decembra). Topoizomeráza 1 a 2. [Video súbor]. Zdroj: youtube.com