Charakteristiky, funkce, typy a inhibitory topoizomeráz



topoizomerázy jsou typem izomerázových enzymů, které modifikují topologii kyseliny deoxyribonukleové (DNA), což vytváří jak její odvíjení, tak i jeho navíjení a supercoiling.

Tyto enzymy mají specifickou úlohu při zmírnění torzního napětí v DNA, takže se mohou vyskytovat důležité procesy, jako je jeho replikace, transkripce DNA v messenger ribonukleové kyselině (mRNA) a rekombinace DNA..

Enzymy topoizomerázy jsou přítomny v eukaryotických i prokaryotických buňkách. Jeho existence byla předpovězena vědci Watsonem a Crickem, když hodnotili omezení, která struktura DNA prezentovala, aby umožnila přístup k jejím informacím (uloženým v nukleotidové sekvenci)..

Abychom porozuměli funkcím topoizomeráz, je třeba vzít v úvahu, že DNA má stabilní strukturu dvojité spirály, jejíž řetězy jsou navíjeny jeden po druhém..

Tyto lineární řetězce jsou tvořeny 2-deoxyribózou spojenou fosfodiesterovými vazbami 5'-3 'a dusíkatými bázemi v jejich vnitřním prostoru, jako jsou kroky točitého schodiště.

Topologická studie molekul DNA ukázala, že mohou převzít několik konformací v závislosti na jejich torzním napětí: z uvolněného stavu, na různé stavy vinutí, které umožňují jejich zhutnění.

Molekuly DNA s různými konformacemi se nazývají topoizomery. Můžeme tedy konstatovat, že topoizomerázy I a II mohou zvyšovat nebo snižovat torzní napětí molekul DNA a vytvářet jejich různé topoizomery..

Mezi možnými topoisomery DNA je nejběžnější konformací supercoiling, který je velmi kompaktní. Dvojitá spirála DNA však musí být také odšroubována topoizomerázami během několika molekulárních procesů.

Index

  • 1 Charakteristika
    • 1.1 Mechanismus obecné činnosti
    • 1.2 Topoizomerázy a buněčný cyklus
  • 2 Funkce
    • 2.1 Kompaktní skladování genetického materiálu
    • 2.2 Přístup k genetickým informacím
    • 2.3 Regulace genové exprese
    • 2.4 Zvláštnosti topoizomerázy II
  • 3 Typy topoizomeráz
    • 3.1-Topoizomerázy typu I
    • 3.2 -Topoizomerázy typu II
    • 3.3 - Lidské topoizomerázy
  • 4 Inhibitory topoizomerázy
    • 4.1-Topoizomerázy jako cíl chemického napadení
    • 4.2-Typy inhibice
    • 4.3 - Léčiva inhibující topoizomerázu
  • 5 Odkazy

Vlastnosti

Mechanismus obecné činnosti

Některé topoizomerázy mohou relaxovat pouze negativní DNA supercoils, nebo obě DNA supercoils: pozitivní a negativní.

Je-li kruhová dvouvláknová DNA odvinuta na své podélné ose a dojde k otočení levou rukou (ve směru hodinových ručiček), říká se, že je negativní. Pokud je zatáčka ve směru hodinových ručiček (proti směru hodinových ručiček), je kladně super-navinuta.

V podstatě topoizomerázy mohou:

-Usnadnit průchod řetězce DNA přes řez v opačném řetězci (topoizomeráza typu I).

-Usnadnit průchod kompletní dvojité spirály přes rozštěpení samotného, ​​nebo přes rozštěpení v jiné odlišné dvojité šroubovici (topoizomeráza typu II).

Stručně řečeno, topoizomerázy působí štěpením fosfodiesterových vazeb v jednom nebo obou řetězcích, které tvoří DNA. Poté změňte stav navíjení vláken dvojité šroubovice (topoizomerázy I) nebo dvou dvojitých šroubovice (topoizomerázy II), aby se konečně navrátil nebo navázal na konce vyříznuté.

Topoizomerázy a buněčný cyklus

I když topoizomeráza I je enzym, který vykazuje větší aktivitu během fáze S (syntéza DNA), nepovažuje se za závislý na fázi buněčného cyklu..

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

Funkce

Změna genů kódujících topoizomerázy je pro buňky letální, což dokazuje důležitost těchto enzymů. Mezi procesy, kterých se topoizomerázy účastní, patří:

Kompaktní skladování genetického materiálu

Topoizomerázy usnadňují ukládání genetických informací kompaktním způsobem, protože vytvářejí navíjení DNA a superšroubování, což umožňuje nalézt velké množství informací v relativně malém objemu..

Přístup k genetickým informacím

Pokud by neexistovaly topoizomerázy a jejich jedinečné vlastnosti, nebylo by možné získat přístup k informacím uloženým v DNA. Je to proto, že topoizomerázy periodicky uvolňují napětí zkroucením, které je generováno ve dvojité šroubovici DNA, během jejího odvíjení, v procesech replikace, transkripce a rekombinace.

Pokud se napětí způsobené torzí generovanými během těchto procesů neuvolní, mohlo by to způsobit defektní genovou expresi, přerušení kruhové DNA nebo chromozomu, dokonce i produkci buněčné smrti..

Regulace genové exprese

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

Stav navíjení DNA, generovaný působením topoizomeráz, tak ovlivňuje regulaci genové exprese.

Zvláštnosti topoizomerázy II

Topoizomeráza 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 matrice buněčného jádra během interfáze.

Typy topoizomeráz

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

-Topoizomerázy typu I

Monomerní                 

Topoizomerázy typu I jsou monomery, které zmírňují negativní a pozitivní supercoils, které jsou produkovány pohybem vidlice během transkripce a během procesů replikace a genové rekombinace.

Topoizomerázy typu I mohou být rozděleny na typ 1A a typ 1B. Posledně jmenované jsou ty, které se vyskytují u lidí, a jsou zodpovědné za uvolnění superšroubovice DNA.

Tyrosin v jeho aktivním místě

Topoizomeráza 1B (Top1B) se skládá ze 765 aminokyselin rozdělených do 4 specifických domén. Jedna z těchto domén má vysoce konzervovanou oblast, která obsahuje aktivní místo s tyrosinem (Tyr7233). Všechny topoizomerázy jsou přítomny v aktivním místě tyrosin se základní úlohou v celém katalytickém procesu.

Mechanismus působení

Tyrosin z aktivního místa tvoří kovalentní vazbu s 3'-fosfátovým koncem řetězce DNA, odřezává ho a udržuje ho navázaný na enzymu, zatímco prochází jiným řetězcem DNA přes excizi.

Průchod druhého řetězce DNA přes excidovaný řetězec je dosažen díky konformační transformaci enzymu, která produkuje otevření dvojité šroubovice DNA.

Pak se topoizomeráza I vrátí do své původní konformace a opět se váže na vyříznuté konce. K tomu dochází inverzním způsobem k rozpadu řetězce DNA v katalytickém místě enzymu. Nakonec topoizomeráza uvolňuje řetězec DNA.

Rychlost ligace DNA je vyšší než rychlost excize, což zajišťuje stabilitu molekuly a integritu genomu.

Stručně řečeno, topoizomerázový typ I katalyzuje:

  1. Vyříznutí řetězce.
  2. Průchod druhého pramene přes rozštěp.
  3. Ligace rozdělených konců.

-Topoizomerázy typu II

Diméricas

Topoizomerázy typu II jsou dimerní enzymy, které štěpí oba řetězce DNA, čímž uvolňují supercoils, které jsou generovány během transkripce a dalších buněčných procesů..

Mg závislé++ a ATP

Tyto enzymy potřebují hořčík (Mg)++) a také potřebují energii, která pochází z rozpadu ATP trifosfátového spojení, které využívají díky ATPase.

Dvě aktivní místa s tyrosinem

Lidské topoizomerázy II jsou velmi podobné těm z kvasinek (Saccharomyces cerevisiae), který se skládá ze dvou monomerů (subfragmenty A a B). Každý monomer má ATPázovou doménu a v subfragmentu tyrosinové aktivní místo 782, ke kterému se může DNA vázat. Proto mohou být dvě řetězce DNA spojeny s topoizomerázou II.

Mechanismus působení

Mechanismus účinku topoizomerázy II je stejný jako mechanismus popsaný pro topoizomerázu I, vzhledem k tomu, že dva řetězce DNA jsou štěpeny a ne pouze jeden..

V aktivním místě topoizomerázy II je fragment proteinu stabilizován (prostřednictvím kovalentní vazby s tyrosinem). dvojitá šroubovice DNA, nazývané "fragment G". Tento fragment je štěpen a udržován navázán na aktivní místo kovalentními vazbami.

Pak enzym umožňuje dalšímu fragmentu DNA, nazývanému "T fragment", procházet fragmentem "G" štěpeným, a to díky konformační změně enzymu, která je závislá na hydrolýze ATP..

Topoizomeráza II váže dva konce "fragmentu G" a nakonec obnovuje svůj původní stav, přičemž uvolňuje fragment "G". Pak DNA uvolní torzní napětí, což umožní, aby došlo k replikačním a transkripčním procesům.

-Lidské topoizomerázy

Lidský genom má pět topoizomeráz: top1, top3a, top3p (typu I); a top2a, top2p (typu II). Nejvýznamnějšími lidskými topoizomerázami jsou top1 (topoizomeráza typu IB) a 2α (topoizomeráza typu II)..

Inhibitory topoizomerázy

-Topoizomerázy jako cíl chemického napadení

Protože procesy katalyzované topoizomerázami jsou nezbytné pro přežití buněk, tyto enzymy jsou dobrými cíli napadení, které ovlivňují maligní buňky. Proto jsou topoizomerázy považovány za důležité při léčbě mnoha lidských onemocnění.

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

-Typy inhibice

Inhibitory aktivity topoizomerázy mohou:

  • Příjem do DNA.
  • Ovlivněte enzym topoizomerázy.
  • Vkládá se do molekuly v blízkosti aktivního místa enzymu, zatímco komplex DNA-topoizomeráza je stabilizován.

Stabilizace přechodného komplexu, který je tvořen vazbou DNA na tyrosin katalytického místa enzymu, zabraňuje spojení vyříznutých fragmentů, což může vést k buněčné smrti..

-Inhibitory topoizomeráz

Ze sloučenin, které inhibují topoizomerázy, jsou následující.

Antitumorová antibiotika

Antibiotika se používají proti rakovině, protože zabraňují růstu nádorových buněk, obvykle narušením jejich DNA. Často se nazývají antineoplastická antibiotika (proti rakovině). Actinomycin D například ovlivňuje topoizomerázu II a používá se u Wilmsových nádorů u dětí au rhabdomyosarkomů.

Antracykliny

Antracykliny jsou mezi antibiotiky nejúčinnějšími protinádorovými léky a nejširším spektrem. Používají se při léčbě rakoviny plic, vaječníků, dělohy, žaludku, močového měchýře, prsu, leukémie a lymfomů. Je známo, že ovlivňuje topoizomerázu II interkalací v DNA.

První antracyklin izolovaný z aktinobakterií (Streptomyces peucetius) byl daunorubicin. Poté byl doxorubicin syntetizován v laboratoři a nyní je také používán epirubicin a idarubicin..

Antrachinony

Antrachinony nebo anthracendiony jsou sloučeniny odvozené od antracenu, podobné antracyklinům, které ovlivňují aktivitu topoizomerázy II interkalací v DNA. Používají se pro metastatický karcinom prsu, ne-Hodgkinův lymfom (NHL) a leukémii.

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

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

Epidofilotoxiny

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

Analogy kamptothecinů

Campoteciny jsou sloučeniny, které inhibují topoizomerázu I a mezi nimi jsou irinotekan, topotekan a diflomotekan..

Tyto sloučeniny se používají proti rakovině tlustého střeva, plic a prsu a získávají se přirozeně z kůry a listů stromovitých druhů. Camptotheca acuminata čínských broskví a Tibetu.

Přirozená inhibice

Strukturální změny topoizomeráz I a II mohou také nastat zcela přirozeně. To může nastat při některých událostech, které ovlivňují jeho katalytický proces.

Mezi těmito změnami můžeme zmínit tvorbu pyrimidinových dimerů, nesoulad dusíkatých bází a další události způsobené oxidačním stresem..

Odkazy

  1. Anderson, H., & Roberge, M. (1992). DNA topoizomeráza II: Přehled jejího zapojení do struktury chromozomů, replikace DNA, transkripce a mitózy. Cell Biology International Reports, 16 (8): 717-724. doi: 10,1016 / s0309-1651 (05) 80016-5
  2. Chhatriwala, H., Jafri, N., & Salgia, R. (2006). Přehled inhibice topoizomerázy při rakovině plic. 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). Protinádorová činidla na bázi platiny: Inovační strategie designu a biologické perspektivy. Medicinal Research Reviews, 23 (5): 633-655. doi: 10.1002 / med.10038
  4. Li, T.-K., & Liu, L.F. (2001). Úmrtnost nádorových buněk vyvolaná topoizomerázovými cílovými léky. Výroční přehled farmakologie a toxikologie, 41 (1): 53-77. doi: 10.1146 / annurev.pharmtox.41.1.53
  5. Liu, L. F. (1994). DNA topoizomerázy: léky cílící na topoizomerázu. Akademická tisková zpráva. pp 307
  6. Osheroff, N. a Bjornsti, M. (2001). DNA topoizomeráza. Enzymologie a léky. II. Humana Press. str. 329.
  7. Rothenberg, M.L. (1997). Inhibitory topoizomerázy I: Přehled a aktualizace. Annals of Oncology, 8 (9), 837-855. doi: 10.1023 / a: 1008270717294
  8. Ryan B. (2009, 14. prosince). Topoizomeráza 1 a 2. [Video soubor]. Zdroj: youtube.com