Značilnosti, funkcije, vrste in inhibitorji topoizomeraz

The topoizomeraze so vrsta izomeraznih encimov, ki modificirajo topologijo deoksiribonukleinske kisline (DNA), kar povzroča tako njegovo odvijanje kot navijanje in superprekrivanje.

Ti encimi imajo posebno vlogo pri lajšanju torzijskega stresa v DNK, tako da se lahko pojavijo pomembni procesi, kot je njegova replikacija, transkripcija DNA v messenger ribonukleinski kislini (mRNA) in rekombinacija DNA..

Encimi topoizomeraze so prisotni v evkariontskih in prokariontskih celicah. Njeni obstoj napovedujejo znanstveniki Watson in Crick, ko ocenjujejo omejitve, ki jih je predstavila struktura DNA, ki omogočajo dostop do njenih informacij (shranjenih v nukleotidnem zaporedju)..

Da bi razumeli funkcije topoizomeraz, je treba upoštevati, da ima DNA stabilno strukturo dvojne vijačnice, katere verige so valjane eno nad drugo..

Te linearne verige so sestavljene iz 2-deoksiriboze, povezane s fosfodiestrskimi vezmi 5'-3 ', in dušikove baze v njihovi notranjosti, kot so koraki spiralnih stopnic..

Topološka študija molekul DNK je pokazala, da lahko prevzamejo več konformacij glede na njihovo torzijsko napetost: od sproščenega stanja, do različnih stanj navijanja, ki omogočajo njihovo stiskanje..

DNA molekule z različnimi konformacijami se imenujejo topoizomeri. Tako lahko sklepamo, da topoizomeraze I in II lahko povečajo ali zmanjšajo torzijsko napetost molekul DNA, ki tvorijo njihove različne topoizomere.

Med možnimi topoizomeri DNK je najpogostejša konformacija super-prevleka, ki je zelo kompaktna. Toda dvojna vijačnica DNK se mora odvijati tudi s topoizomerazami med več molekularnimi procesi.

Indeks

• 1 Značilnosti
  • 1.1 Mehanizem splošnega delovanja
  • 1.2 Topoizomeraze in celični cikel
• 2 Funkcije
  • 2.1 Skladiščenje genskega materiala
  • 2.2 Dostop do genetskih informacij
  • 2.3 Regulacija izražanja genov
  • 2.4 Posebnosti topoizomeraze II
• 3 Vrste topoizomeraz
  • 3.1-Topoizomeraze tipa I
  • 3.2 -Topoizomeraze tipa II
  • 3.3 - Topoizomeraze pri ljudeh
• 4 Zaviralci topoizomeraze
  • 4.1-Topoizomeraze kot tarča kemičnega napada
  • 4.2-Vrste inhibicije
  • 4.3 - zdravila za zaviranje topoizomeraze
• 5 Reference

Funkcije

Mehanizem splošnega delovanja

Nekateri topoizomeraze lahko sprostijo le negativne DNK super-kroge ali obe DNK superkoilci: pozitivni in negativni.

Če se krožna dvoverižna DNA odvija na svoji vzdolžni osi in pride do levega zavoja (v smeri urinega kazalca), se pravi, da je negativno spremenjena. Če je zavoj v smeri urinega kazalca (v nasprotni smeri urinega kazalca), je pozitivno super-navit.

V osnovi lahko topoizomeraze:

-Olajšajte prehod pramena DNK skozi rez na nasprotni strani (topoizomeraza tipa I).

-Olajšajte prehod celotne dvojne vijačnice skozi razcep sam po sebi ali prek razcepa v drugi različni dvojni vijačnici (topoizomeraza tipa II).

Če povzamemo, topoizomeraze delujejo s cepitvijo fosfodiesterskih vezi v eni ali obeh vejah, ki sestavljajo DNA. Nato spremenite stanje navijanja vej dvojne vijačnice (topoizomeraze I) ali dveh dvojnih spiranj (topoizomeraza II), da se končno vrnete na vezavo ali ligiranje koncev..

Topoizomeraze in celični cikel

Čeprav je topoizomeraza I encim, ki kaže večjo aktivnost v fazi S (sinteza DNA), se ne šteje, da je odvisen od faze celičnega cikla..

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

Funkcije

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

Kompaktno shranjevanje genskega materiala

Topoizomeraze omogočajo kompaktno shranjevanje genetskih informacij, ker ustvarjajo navijanje DNK in super zvijanje, kar omogoča, da se v relativno majhnem obsegu najde velika količina informacij..

Dostop do genetskih informacij

Če ne bi bilo topoizomeraz in njihovih edinstvenih značilnosti, bi bilo nemogoče dostopati do informacij, shranjenih v DNA. To je zato, ker topoizomeraze periodično sproščajo napetost s sukanjem, ki se ustvari v dvojni vijačnici DNA, v času njenega odvijanja, v procesih replikacije, transkripcije in rekombinacije..

Če napetost zaradi torzije, ki nastane med temi postopki, ni sproščena, lahko povzroči napačno ekspresijo gena, prekinitev krožne DNK ali kromosoma, kar povzroči celo celično smrt..

Regulacija izražanja genov

Konformacijske spremembe (v tridimenzionalni strukturi) molekule DNA izpostavijo določene regije zunaj, ki lahko medsebojno vplivajo na proteine, ki vežejo DNA. Ti proteini imajo regulatorno funkcijo izražanja genov (pozitivno ali negativno)..

Tako stanje navijanja DNA, ki ga povzroči delovanje topoizomeraz, vpliva na regulacijo genske ekspresije.

Posebnosti topoizomeraze II

Topoizomeraza II je potrebna za sestavljanje kromatid, kondenzacijo in dekondenzacijo kromosomov in segregacijo hčerinskih molekul DNA med mitozo.

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

Vrste topoizomeraz

Obstajata dve glavni vrsti topoizomeraz, odvisno od tega, ali sta sposobni razcepiti enega ali dva niza DNA.

-Topoizomeraze tipa I

Monomerni                 

Topoizomeraze tipa I so monomeri, ki lajšajo negativne in pozitivne supervalve, ki nastajajo z gibanjem vilic med transkripcijo in med procesi replikacije in rekombinacije genov..

Topoizomeraze tipa I lahko razdelimo na tip 1A in tip 1B. Slednji so tisti, ki jih najdemo pri ljudeh, in so odgovorni za sproščanje super zvitke DNA.

Tirozin na svojem aktivnem mestu

Topoizomeraza 1B (Top1B) sestoji iz 765 aminokislin, razdeljenih na 4 specifične domene. Ena od teh domen ima zelo ohranjeno območje, ki vsebuje aktivno mesto s tirozinom (Tyr7233). Vse topoizomeraze na svojem aktivnem mestu predstavljajo tirozin s temeljno vlogo v celotnem katalitičnem procesu.

Mehanizem delovanja

Tirozin iz aktivnega mesta tvori kovalentno vez s 3'-fosfatnim koncem verige DNA, ga odrežemo in držimo pritrjeno na encim, pri tem pa skozi ekscizijo še eno verigo DNA..

Prehod druge verige DNA skozi izrezano verigo dosežemo zaradi konformacijske transformacije encima, ki povzroči odprtje dvojne vijačnice DNA..

Nato se topoizomeraza I vrne v svojo prvotno konformacijo in se ponovno izloči z izrezanimi konci. To se zgodi s procesom, ki je inverzen do lomljenja verige DNA, v katalitskem mestu encima. Nazadnje topoizomeraza sprosti verigo DNA.

Hitrost vezave DNK je višja od stopnje ekscizije, ki zagotavlja stabilnost molekule in celovitost genoma.

Če povzamemo, topoizomeraza tipa I katalizira:

1. Izrezovanje veje.
2. Prehod drugega dela skozi razcep.
3. Povezovanje razcepljenih koncev.

-Topoizomeraze tipa II

Diméricas

Topoizomeraze tipa II so dimerni encimi, ki cepijo obe vrsti DNK in tako sproščata super zvitke, ki nastanejo med transkripcijo in drugimi celičnimi procesi..

Mg Odvisniki⁺⁺ in ATP

Ti encimi potrebujejo magnezij (Mg⁺⁺) in potrebujejo tudi energijo, ki izhaja iz razgradnje povezave ATP trifosfata, ki jo izkoristijo zaradi ATPaze.

Dva aktivna mesta s tirozinom

Humani topoizomeraze II so zelo podobne tistim v kvasu (Saccharomyces cerevisiae), ki je sestavljena iz dveh monomerov (podfragmentov A in B). Vsak monomer ima ATPazno domeno in v podfragmentu tirozinsko aktivno mesto 782, na katero se DNA lahko veže. Zato se lahko dve vrsti DNA združita s topoizomerazo II.

Mehanizem delovanja

Mehanizem delovanja topoizomeraze II je enak mehanizmu, opisanemu za topoizomerazo I, glede na to, da sta dve verigi DNA razcepljeni in ne samo eni.

V aktivnem mestu topoizomeraze II se stabilizira fragment proteina (s kovalentnim vezanjem z tirozinom). dvojna vijačnica DNK, imenovan "fragment G". Ta fragment se razcepi in ohrani vezan na aktivno mesto s kovalentnimi vezmi.

Nato encim omogoča, da drugi del DNA, imenovan "T fragment", preide skozi fragment "G", razcepljen, zahvaljujoč konformacijski spremembi encima, ki je odvisen od hidrolize ATP..

Topoizomeraza II veže oba konca "fragmenta G" in končno povrne začetno stanje, pri čemer sprosti fragment "G". Nato DNA sprošča torzijsko napetost, kar omogoča procese replikacije in transkripcije.

-Humani topoizomeraze

Človeški genom ima pet topoizomeraz: top1, top3α, top3β (tipa I); in top2α, top2β (tipa II). Najpomembnejše humane topoizomeraze so top1 (topoizomeraza tipa IB) in 2α (topoizomeraza tipa II)..

Topoizomerazni inhibitorji

-Topoizomeraze kot tarča za kemični napad

Ker so procesi, ki jih katalizirajo topoizomeraze, potrebni za preživetje celic, so ti encimi dobri cilji napada, da prizadenejo maligne celice. Pri tem se topoizomeraze štejejo za pomembne pri zdravljenju mnogih bolezni pri ljudeh.

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

-Vrste zaviranja

Zdravila, ki zavirajo delovanje topoizomeraze, lahko:

• Vnesite DNK.
• Vpliva na encim topoizomeraze.
• Prepletanje molekule v bližini aktivnega mesta encima, medtem ko je kompleks DNA-topoizomeraze stabiliziran.

Stabilizacija prehodnega kompleksa, ki nastane z vezavo DNA na tirozin katalitskega mesta encima, preprečuje združitev izrezanih fragmentov, kar lahko vodi do smrti celic.

-Inhibitorji topoizomeraz

Med spojinami, ki inhibirajo topoizomeraze, so naslednje.

Antitumorski antibiotiki

Antibiotiki se uporabljajo proti raku, saj preprečujejo rast tumorskih celic, ponavadi s poseganjem v njihovo DNA. Pogosto se imenujejo antineoplastični antibiotiki (proti raku). Aktinomicin D, na primer, vpliva na topoizomerazo II in se uporablja pri Wilmsovih tumorjih pri otrocih in v rabdomiosarkomih..

Antracikline

Antraciklini so med antibiotiki najučinkovitejša zdravila proti raku in najširši spekter. Uporabljajo se pri zdravljenju pljučnega raka, jajčnikov, maternice, želodca, mehurja, dojk, levkemije in limfomov. Znano je, da vpliva na topoizomerazo II z interkalacijo v DNA.

Prvi antraciklin, izoliran iz aktinobakterij (Streptomyces peucetius) je bil daunorubicin. Nato so v laboratoriju sintetizirali doksorubicin, sedaj pa uporabljamo tudi epirubicin in idarubicin..

Antrakinoni

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

Ta zdravila so bila najdena v pigmentih nekaterih žuželk, rastlin (frángula, senna, rabarbara), lišajev in glivic; kot tudi v hoeliti, ki je naravni mineral. Glede na odmerek so lahko rakotvorne.

Med temi spojinami imamo mitoksantron in njegov analog losoksantron. To preprečuje proliferacijo malignih tumorskih celic, ki se ireverzibilno vežejo na DNA.

Epidofilotoksini

Podofilotoksini, kot so epidofilotoksini (VP-16) in teniposid (VM-26), tvorijo kompleks s topoizomerazo II. Uporabljajo se proti raku pljuč, testisov, levkemije, limfomov, raka jajčnikov, raka dojk in malignih intrakranijskih tumorjev. So izolirane iz rastlin Podophyllum notatum in P. peltatum.

Analogi kamptotecinov

Campotecini so spojine, ki zavirajo topoizomerazo I, med njimi so irinotekan, topotekan in diflomotekan..

Te spojine so bile uporabljene proti raku debelega črevesa, pljuč in dojk in so naravno pridobljene iz lubja in listov drevesnih vrst. Camptotheca acuminata kitajskih breskev in Tibeta.

Naravna inhibicija

Strukturne spremembe topoizomeraz I in II se lahko pojavijo tudi povsem naravno. To se lahko zgodi med nekaterimi dogodki, ki vplivajo na njegov katalitični proces.

Med temi spremembami lahko omenimo nastajanje pirimidinskih dimerjev, neskladnosti dušikovih baz in drugih dogodkov, ki jih povzroča oksidativni stres..

Reference

1. Anderson, H., & Roberge, M. (1992). DNA topoizomeraza II: pregled njegove vpletenosti v strukturo kromosomov, replikacijo DNA, transkripcijo in mitozo. International Biology International Reports, 16 (8): 717-724. doi: 10.1016 / s0309-1651 (05) 80016-5
2. Chhatriwala, H., Jafri, N., in Salgia, R. (2006). Pregled zaviranja topoizomeraze pri pljučnem raku. 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). Sredstva proti raku na osnovi platine: inovativne oblikovalske strategije in biološke perspektive. Medicinal Research Reviews, 23 (5): 633-655. doi: 10.1002 / med.10038
4. Li, T.-K., & Liu, L.F. (2001). Tumorska celična smrt, povzročena s topoizomerazno ciljnimi zdravili. Letni pregled farmakologije in toksikologije, 41 (1): 53-77. doi: 10.1146 / annurev.pharmtox.41.1.53
5. Liu, L. F. (1994). DNA Topoisomerases: Topoisomerase-Targeting drog. Academic Press. 307
6. Osheroff, N. in Bjornsti, M. (2001). DNA Topoizomeraza. Encimologija in zdravila. Tom II. Humana Press. str. 329.
7. Rothenberg, M. L. (1997). Zaviralci topoizomeraze I: Pregled in posodobitev. Annals of Oncology, 8 (9), 837-855. doi: 10.1023 / a: 1008270717294
8. Ryan B. (2009, december 14). Topoizomeraza 1 in 2. [Video datoteka]. Vzpostavljeno iz youtube.com