ТОПОИЗОМЕРАЗИ: ХАРАКТЕРИСТИКИ, ФУНКЦИИ, ВИДОВЕ И ИНХИБИТОРИ - БИОЛОГИЯ - 2025

На топоизомеразите са ензими изомерази тип промяна на топологията на дезоксирибонуклеинова киселина (ДНК), генериране на двете си развиване и супернавиване като неговото извиване.

Тези ензими имат специфична роля за облекчаване на торсионния стрес в ДНК, така че могат да възникнат важни процеси като неговото репликация, транскрипция на ДНК в месинджър рибонуклеинова киселина (мРНК) и рекомбинация на ДНК.

Фигура 1. Топоизомераза II. Източник: Emw, от Wikimedia Commons

Ензимите на топоизомераза присъстват както в еукариотните, така и в прокариотните клетки. Съществуването му беше предсказано от учените Уотсън и Крик, когато оценяваха ограниченията, които структурата на ДНК представя, за да позволи достъп до информацията му (съхранявана в нейната нуклеотидна последователност).

За да се разберат функциите на топоизомеразите, трябва да се счита, че ДНК има стабилна структура с двойна спирала, като нишките й са навити една върху друга.

Тези линейни вериги са изградени от 2-дезоксирибоза, свързана с 5'-3 'фосфодиестерни връзки, и азотни основи вътре, като стъпалата на спираловидно стълбище.

Фигура 2. ДНК молекула. Източник:

Топологичното проучване на молекулите на ДНК показа, че те могат да приемат различни конформации, зависими от стрес на усукване: от отпуснато състояние до различни състояния на навиване, които позволяват тяхното уплътняване.

ДНК молекулите с различна форма се наричат ​​топоизомери. По този начин можем да заключим, че топоизомеразите I и II могат да увеличат или намалят торсионния стрес на молекулите на ДНК, образувайки техните различни топоизомери.

Сред възможните ДНК топоизомери, най-честата конформация е супермората, която е много компактна. Двойната двойна спирала обаче трябва също да се развие от топоизомерази по време на различни молекулярни процеси.

характеристики

Общ механизъм на действие

Някои топоизомерази могат да релаксират само отрицателни повърхности на ДНК, или и двете супермонети на ДНК: положителни и отрицателни.

Ако кръговата двуверижна ДНК се размотава по надлъжната й ос и се появи ляв завой (по посока на часовниковата стрелка), се казва, че е отрицателно свръхвита. Ако завойът е по посока на часовниковата стрелка (обратно на часовниковата стрелка), той е положително покрит.

Фигура 3. Отрицателно сгъстена, отпусната и положително супервита кръгова двуверижна ДНК. Източник: Fdardel, от Wikimedia Commons

По принцип топоизомеразите могат:

-Фацилизирайте преминаването на ДНК верига през разрез в противоположната верига (тип I топоизомераза).

-Фацилизирайте преминаването на пълна двойна спирала през самото разцепване или през разцепване в друга различна двойна спирала (тип II топоизомераза).

В обобщение, топоизомеразите действат чрез разцепване на фосфодиестерни връзки, в едната или и в двете нишки, съставляващи ДНК. След това те променят състоянието на навиване на нишките на двойна спирала (топоизомераза I) или на две двойни спирали (топоизомераза II), за да завържат или завържат отново разкъсаните краища.

Топоизомерази и клетъчен цикъл

Въпреки че топоизомераза I е ензим, който проявява по-висока активност по време на S фаза (синтез на ДНК), не се счита, че зависи от фаза на клетъчния цикъл.

Като има предвид, че активността на топоизомераза II е по-активна по време на логаритмичната фаза на растежа на клетките и в клетките на бързорастящи тумори.

Характеристика

Промяната на гените, които кодират топоизомеразите, е смъртоносна за клетките, което доказва значението на тези ензими. Сред процесите, в които участват топоизомеразите, са:

Компактно съхранение на генетичен материал

Топоизомеразите улесняват съхранението на генетична информация по компактен начин, тъй като генерират намотаването и свръхвиването на ДНК, което позволява да се намери голямо количество информация в сравнително малък обем.

Достъп до генетична информация

Без топоизомерази и техните уникални характеристики достъпът до информация, съхранявана в ДНК, би бил невъзможен. Това се дължи на факта, че топоизомеразите периодично освобождават торсионния стрес, който се генерира в ДНК двойната спирала, по време на нейното отвиване, в процесите на репликация, транскрипция и рекомбинация.

Фигура 4. Репликация на ДНК. Вижте топоизомераза в началото на ДНК косата. Източник: LadyofHats преведено от Miguelsierra, чрез Wikimedia Commons

Ако торсионният стрес, генериран по време на тези процеси, не се освободи, може да възникне дефектна генна експресия, прекъсване на кръговата ДНК или хромозома, дори предизвикване на клетъчна смърт.

Регулация на генната експресия

Конформационните промени (в триизмерната структура) на молекулата на ДНК излагат специфични участъци отвън, които могат да взаимодействат с протеините, свързващи ДНК. Тези протеини имат регулаторна функция на генната експресия (положителна или отрицателна).

Фигура 5. Регулаторен протеин на генна експресия, в този случай той предотвратява експресията на определени гени. Зефирис в английския език Wikipedia

Така състоянието на навиване на ДНК, генерирано от действието на топоизомерази, влияе на регулацията на генната експресия.

Особености на топоизомераза II

Топоизомераза II е необходима за сглобяването на хроматиди, кондензацията и декондензацията на хромозомите и сегрегацията на дъщерните ДНК молекули по време на митозата.

Този ензим също е структурен протеин и един от основните съставки на матрицата на клетъчното ядро ​​по време на интерфаза.

Видове топоизомерази

Има два основни типа топоизомерази в зависимост от това дали те са в състояние да разцепят една или две нишки на ДНК.

-Топоизомерази тип I

Мономерен

Топоизомеразите от тип I са мономери, които облекчават отрицателните и положителните суперкили, които се получават от движението на космите по време на транскрипция и по време на репликация и генни рекомбинационни процеси.

Топоизомеразите от I тип могат да бъдат подразделени на тип 1А и тип 1В. Последните са тези, които се намират при хората и те са отговорни за релаксирането на супервита ДНК.

Тирозин в активния му сайт

Топоизомераза 1B (Top1B) е съставена от 765 аминокиселини, разделени на 4 специфични домена. Един от тези домейни има силно запазена област, съдържаща активния сайт на тирозин (Tyr7233). Всички топоизомерази представят тирозин в активното си място с основна роля в целия каталитичен процес.

Механизъм на действие

Тирозинът на активното място образува ковалентна връзка с 3'-фосфатния край на веригата на ДНК, като го разрязва и държи прикрепен към ензима, докато друг стрък ДНК преминава през разцепването.

Преминаването на другата верига на ДНК през разцепената верига се постига благодарение на конформационна трансформация на ензима, която произвежда отварянето на ДНК двойната спирала.

След това топоизомераза I се връща към първоначалната си конформация и отново свързва разцепените краища. Това става чрез процес, обратен на разпадането на ДНК веригата, в каталитичния сайт на ензима. И накрая, топоизомеразата освобождава нишката на ДНК.

Скоростта на лигиране на ДНК е по-висока от скоростта на ексцизия, като по този начин се гарантира стабилността на молекулата и целостта на генома.

В резюме, тип I топоизомераза катализира:

1. Разцепването на кичур.
2. Преминаването на другата нишка през разцепването.
3. Лигиране на разцепените краища.

-Тип II топоизомерази

Димерните

Топоизомеразите от тип II са димерни ензими, които разцепват и двете нишки на ДНК, като по този начин отпускат суперкилите, които се генерират по време на транскрипция и други клетъчни процеси.

Mg зависими

Тези ензими се нуждаят от магнезий (Mg ⁺⁺), а също така се нуждаят от енергията, която идва от разрушаването на ATP трифосфатната връзка, от която те се възползват благодарение на ATPase.

Два активни сайта с тирозин

Човешките топоизомерази II са много сходни с тези на дрождите (Saccharomyces cerevisiae), която е съставена от два мономера (подфрагменти А и В). Всеки мономер има ATPase домейн и в под-фрагмент активният сайт тирозин 782, към който ДНК може да се свърже. По този начин, две нишки на ДНК могат да се свържат с топоизомераза II.

Механизъм на действие

Механизмът на действие на топоизомераза II е същият като описания за топоизомераза I, като се има предвид, че две нишки на ДНК са разделени, а не само една.

В активното място на топоизомераза II, фрагмент от ДНК с двойна спирала, наречен „фрагмент G“, се стабилизира (чрез ковалентно свързване с тирозин). Този фрагмент се изрязва и се държи заедно до активното място чрез ковалентни връзки.

След това ензимът позволява на друг фрагмент на ДНК, наречен "T фрагмент", да премине през разцепения фрагмент "G", благодарение на конформационната промяна на ензима, която зависи от хидролизата на АТФ.

Топоизомераза II свързва двата края на „G фрагмента“ и накрая възстановява първоначалното си състояние, освобождавайки фрагмента „G“. След това ДНК отпуска торсионния стрес, което позволява репликация и транскрипция.

-Човешки топоизомерази

Човешкият геном има пет топоизомерази: top1, top3α, top3β (тип I); и top2α, top2β (от тип II). Най-подходящите човешки топоизомерази са top1 (тип IB топоизомераза) и 2α (тип II топоизомераза).

Инхибитори на топоизомераза

-Топоизомерази като цел на химическа атака

Тъй като процесите, катализирани от топоизомерази, са необходими за оцеляването на клетките, тези ензими са добра мишена за атака, за да засегнат злокачествените клетки. Поради тази причина топоизомеразите се считат за важни при лечението на много човешки заболявания.

Лекарствата, които взаимодействат с топоизомерази, понастоящем се изучават широко като химиотерапевтични вещества срещу ракови клетки (в различни органи на тялото) и патогенни микроорганизми.

-Видове инхибиране

Лекарствата, които инхибират активността на топоизомераза, могат:

• Сандвичи в ДНК.
• Засягат ензима топоизомераза.
• Интеркалират в молекула, близка до активното място на ензима, докато ДНК-топоизомеразният комплекс е стабилизиран.

Стабилизирането на преходния комплекс, който се образува чрез свързването на ДНК с тирозина на каталитичния сайт на ензима, предотвратява свързването на разцепени фрагменти, което може да доведе до клетъчна смърт.

-Лекарства с инхибитор на топоизомераза

Сред съединенията, които инхибират топоизомеразите, са следните.

Антитуморни антибиотици

Антибиотиците се използват срещу рак, тъй като те предотвратяват растежа на туморните клетки, обикновено пречат на тяхната ДНК. Те често се наричат ​​антинеопластични (ракови) антибиотици. Актиномицин D, например, засяга топоизомераза II и се използва при тумори на Wilms при деца и рабдомиосаркоми.

антрациклини

Антрациклините са сред антибиотиците, едно от най-ефективните противоракови лекарства и с най-широк спектър. Те се използват за лечение на рак на белия дроб, яйчниците, матката, стомаха, пикочния мехур, гърдата, левкемия и лимфоми. Известно е, че влияе на топоизомераза II чрез интеркалация в ДНК.

Първият антрациклин, изолиран от актинобактерии (Streptomyces peucetius), е даунорубицин. Впоследствие в лабораторията се синтезира доксорубицин, а днес се използват и епирубицин и идарубицин.

Anthraquinones

Антрахинони или антрацендиони са съединения, получени от антрацен, подобни на антрациклините, които влияят върху активността на топоизомераза II чрез интеркалация в ДНК. Те се използват за метастатичен рак на гърдата, неходжкинов лимфом (NHL) и левкемия.

Тези лекарства са открити в пигментите на някои насекоми, растения (франгула, сенна, ревен), лишеи и гъби; както и в хоелит, който е естествен минерал. В зависимост от дозата ви, те могат да бъдат канцерогенни.

Сред тези съединения имаме митоксантрон и неговият аналог - лозоксантрон. Те предотвратяват пролиферацията на злокачествени туморни клетки, свързвайки се с ДНК необратимо.

Epidophyllotoxins

Подофилолотоксините, като епидофилотоксини (VP-16) и тенипозид (VM-26), образуват комплекс с топоизомераза II. Те се използват срещу рак на белите дробове, тестикули, левкемия, лимфоми, рак на яйчниците, карцином на гърдата и злокачествени вътречерепни тумори, наред с други. Podophyllum notatum и P. peltatum са изолирани от растенията.

Каптотецинови аналози

Кампотецините са съединения, които инхибират топоизомераза I, включително иринотекан, топотекан и дифломотекан.

Тези съединения са използвани срещу рак на дебелото черво, белите дробове и гърдата и се получават естествено от кората и листата на арбореалния вид Camptotheca acuminata от китайската и тибетската царевица.

Естествено инхибиране

Структурните изменения на топоизомерази I и II също могат да настъпят напълно естествено. Това може да се случи по време на някои събития, които засягат вашия каталитичен процес.

Тези промени включват образуване на пиримидинови димери, несъответствия на азотната основа и други събития, причинени от оксидативен стрес.

Препратки

1. Anderson, H., & Roberge, M. (1992). ДНК топоизомераза II: Преглед на нейното участие в хромозомната структура, репликацията на ДНК, транскрипцията и митозата. Cell Biology International Reports, 16 (8): 717–724. doi: 10.1016 / s0309-1651 (05) 80016-5
2. Chhatriwala, H., Jafri, N., & Salgia, R. (2006). Преглед на инхибирането на топоизомераза при рак на белия дроб. Ракова биология и терапия, 5 (12): 1600–1607. doi: 10.4161 / cbt.5.12.3546
3. Ho, Y.-P., Au-Yeung, SCF, & To, KKW (2003). Антиракови средства на базата на платина: Иновативни дизайнерски стратегии и биологични перспективи. Рецензии за медицински изследвания, 23 (5): 633–655. doi: 10.1002 / med.10038
4. Li, T.-K., & Liu, LF (2001). Смъртта на туморни клетки, индуцирана от лекарства, насочени към топоизомераза. Годишен преглед на фармакологията и токсикологията, 41 (1): 53–77. doi: 10.1146 / annurev.pharmtox.41.1.53
5. Liu, LF (1994). ДНК топоизомерази: лекарства, насочени към топоизомераза. Академична преса. стр. 307
6. Osheroff, N. and Bjornsti, M. (2001). ДНК топоизомераза. Ензимология и лекарства. Том II. Humana Press. стр. 329.
7. Ротенберг, ML (1997). Инхибитори на топоизомераза I: Преглед и актуализация. Анали на онкологията, 8 (9), 837–855. doi: 10.1023 / a: 1008270717294
8. Райън Б. (2009 г., 14 декември). Топоизомераза 1 и 2.. Възстановени от youtube.com