TOPOISOMERASER: EGENSKAPER, FUNKTIONER, TYPER OCH HÄMMARE - BIOLOGI - 2025

De topoisomeraser är enzymer isomeraser en typ av modifiering av topologin av deoxiribonukleinsyra (DNA), som genererar både dess avlindning och övertvinning som dess curl.

Dessa enzymer har en specifik roll för att lindra torsionsstress i DNA så att viktiga processer såsom replikering, transkription av DNA till messenger ribonukleic acid (mRNA) och rekombination av DNA kan inträffa.

Figur 1. Topoisomeras II. Källa: Emw, från Wikimedia Commons

Topoisomerasenzymer finns i både eukaryota och prokaryota celler. Dess existens förutsades av forskarna Watson och Crick, när de utvärderade begränsningarna som strukturen av DNA presenterade för att ge tillgång till dess information (lagrad i dess nukleotidsekvens).

För att förstå funktionerna hos topoisomeraser måste det beaktas att DNA har en stabil dubbel-spiralstruktur, med dess strängar lindade över varandra.

Dessa linjära kedjor består av 2-deoxiribos kopplad med 5'-3 'fosfodiesterbindningar och kvävehaltiga baser inuti, som spåren i en spiraltrappa.

Figur 2. DNA-molekyl. Källa: https://es.m.wikipedia.org/wiki/Archivo:3DScience_DNA_structure_labeled_a.jpg

Den topologiska studien av DNA-molekyler har visat att de kan anta olika konformationer beroende på deras torsionsspänning: från ett avslappnat tillstånd till olika spolningstillstånd som tillåter deras komprimering.

DNA-molekyler med olika konformationer kallas topoisomerer. Således kan vi dra slutsatsen att topoisomeraser I och II kan öka eller minska torsionsspänningen hos DNA-molekyler och bilda deras olika topoisomerer.

Bland de möjliga DNA-topoisomererna är den vanligaste konformationen superspolen, som är mycket kompakt. Emellertid måste den dubbla DNA-spiralen också lindas av topoisomeraser under olika molekylprocesser.

egenskaper

Allmän handlingsmekanism

Vissa topoisomeraser kan bara slappna av negativa supercoils av DNA, eller båda supercoils DNA: positiva och negativa.

Om det cirkulära dubbelsträngade DNA: et avlindas på sin längsgående axel och en vänsterhändig svängning (medsols) inträffar, sägs det att det är negativt superspolat. Om svängen är medurs (moturs) är den positivt överbelastad.

Figur 3. Negativt superbockad, avslappnad och positivt superbockad cirkulär dubbelsträngad DNA. Källa: Fdardel, från Wikimedia Commons

I grund och botten kan topoisomeraser:

-Facilitera passagen av en DNA-sträng genom ett snitt i den motsatta strängen (typ I topoisomeras).

-Facilitera passagen av en komplett dubbel spiral genom en klyvning i sig själv, eller genom en klyvning i en annan annan dubbel spiral (typ II topoisomeras).

Sammanfattningsvis verkar topoisomeraser genom klyvning av fosfodiesterbindningar, i en eller i båda strängarna som utgör DNA. De modifierar sedan spolningstillståndet för strängarna för en dubbel spiral (topoisomeras I) eller av två dubbla spiraler (topoisomeras II) för att slutligen binda eller binda de klyvda ändarna igen.

Topoisomeraser och cellcykeln

Även om topoisomeras I är ett enzym som uppvisar högre aktivitet under S-fasen (DNA-syntes), anses det inte vara beroende av en fas i cellcykeln.

Medan topoisomeras II-aktivitet är mer aktiv under den logaritmiska fasen av celltillväxt och i celler med snabbväxande tumörer.

Funktioner

Förändringen av generna som kodar för topoisomeraser är dödliga för celler, vilket bevisar vikten av dessa enzymer. Bland de processer där topoisomeraser deltar är:

Kompakt lagring av genetiskt material

Topoisomeraser underlättar lagring av genetisk information på ett kompakt sätt, eftersom de genererar uppspolning och superslingning av DNA, vilket gör att en stor mängd information kan hittas i en relativt liten volym.

Tillgång till genetisk information

Utan topoisomeraser och deras unika egenskaper skulle tillgång till information lagrad i DNA vara omöjlig. Detta beror på det faktum att topoisomeraser periodiskt frisätter torsionsspänningen som alstras i DNA-dubbelhelixen under dess avvikling, i processerna för replikering, transkription och rekombination.

Figur 4. DNA-replikation. Se topoisomeras i början av DNA-hårnålen. Källa: LadyofHats översatt av Miguelsierra, via Wikimedia Commons

Om den torsionsspänning som genereras under dessa processer inte frisläpps kan defekt genuttryck inträffa, avbrott i det cirkulära DNA eller kromosom, till och med att producera celldöd.

Reglering av genuttryck

Konformationella förändringar (i den tredimensionella strukturen) av DNA-molekylen utsätter specifika regioner för utsidan, som kan interagera med DNA-bindande proteiner. Dessa proteiner har en reglerande funktion av genuttryck (positiv eller negativ).

Figur 5. Reglerande protein för genuttryck, i detta fall förhindrar det uttrycket av vissa gener. Zephyris på engelska Wikipedia

Således påverkar det spiralformiga tillståndet av DNA, genererat genom verkan av topoisomeraser, regleringen av genuttryck.

Särskilda egenskaper hos topoisomeras II

Topoisomeras II är nödvändigt för montering av kromatider, kondensation och dekondensering av kromosomer och segregering av dotter-DNA-molekyler under mitos.

Detta enzym är också ett strukturellt protein och en av huvudbeståndsdelarna i cellkärnmatrisen under intervallet.

Typer av topoisomeraser

Det finns två huvudtyper av topoisomeraser beroende på om de kan klyva en eller två DNA-strängar.

-Topoisomeraser typ I

monomer

Topoisomeraser av typ I är monomerer som lindrar negativa och positiva superspolar, som produceras genom hårnålens rörelse under transkription, och under replikering och genrekombinationsprocesser.

Topoisomeraser av typ I kan delas in i typ 1A och typ 1B. De senare är de som finns hos människor, och de är ansvariga för avslappnande super-coiled DNA.

Tyrosine på sin aktiva plats

Topoisomeras 1B (Top1B) består av 765 aminosyror uppdelade i fyra specifika domäner. En av dessa domäner har ett mycket bevarat område som innehåller den tyrosinaktiva platsen (Tyr7233). Alla topoisomeraser presenterar en tyrosin på deras aktiva plats med en grundläggande roll i hela den katalytiska processen.

Handlingsmekanism

Det aktiva stället tyrosin bildar en kovalent bindning med 3'-fosfatänden av DNA-strängen, skär den och håller den fäst vid enzymet, medan en annan DNA-sträng passerar genom klyvningen.

Passagen för den andra DNA-strängen genom den delade strängen uppnås tack vare en konformationell transformation av enzymet, som ger öppningen av DNA-dubbel spiralen.

Sedan återvänder topoisomeras I till sin ursprungliga konformation och binder de klyvda ändarna igen. Detta sker genom en process som är omvänd för nedbrytningen av DNA-kedjan, på enzymets katalytiska ställe. Slutligen frisätter topoisomeras DNA-strängen.

Hastigheten för DNA-ligering är högre än hastigheten för excision, vilket säkerställer molekylens stabilitet och genomets integritet.

Sammanfattningsvis katalyserar typ I-topoisomeras:

1. Klyvningen av en tråd.
2. Passagen av den andra strängen genom klyvningen.
3. Ligering av de klyvda ändarna.

-Typ II topoisomeraser

dimer

Topoisomeraser av typ II är dimera enzymer, som spjälkar båda DNA-strängarna och därmed avslappnar superspolarna som genereras under transkription och andra cellulära processer.

Mg beroende

Dessa enzymer behöver magnesium (Mg ⁺⁺ ) och behöver också den energi som kommer från att bryta ATP-trifosfatbindningen, vilket de drar nytta av tack vare ett ATPas.

Två aktiva platser med tyrosin

Mänskliga topoisomeraser II är väldigt lik de för jäst (Saccharomyces cerevisiae), som består av två monomerer (underfragment A och B). Varje monomer har en ATPas-domän och i ett underfragment det aktiva stället tyrosin 782, till vilket DNA kan binda. Således kan två DNA-strängar binda till topoisomeras II.

Handlingsmekanism

Verkningsmekanismen för topoisomeras II är densamma som den som beskrivs för topoisomeras I med tanke på att två DNA-strängar är uppdelade och inte bara en.

På det aktiva stället för topoisomeras II stabiliseras ett dubbel-spiralfragment av DNA, kallad "fragment G" (genom kovalent bindning med tyrosin). Detta fragment skärs ut och hålls samman till det aktiva stället med kovalenta bindningar.

Enzymet tillåter sedan ett annat DNA-fragment, kallad "T-fragmentet", att passera genom det klyvda fragmentet "G", tack vare en konformationell förändring av enzymet, som är beroende av hydrolysen av ATP.

Topoisomeras II binder de två ändarna av "G-fragmentet" och återvinner slutligen sitt ursprungliga tillstånd, och släpper "G" -fragmentet. Därefter slappnar DNA av torsionsstressen, vilket möjliggör replikering och transkription.

-Mänskliga topoisomeraser

Det mänskliga genomet har fem topoisomeraser: top1, top3a, top3p (typ I); och top2a, top2p (av typ II). De mest relevanta humana topoisomeraserna är top1 (typ IB topoisomeras) och 2a (typ II topoisomeras).

Topoisomeras-hämmare

-Topoisomeraser som mål för kemisk attack

Eftersom de processer som katalyseras av topoisomeraser är nödvändiga för överlevnad av celler är dessa enzymer ett bra attackmål för att påverka maligna celler. Av denna anledning anses topoisomeraser vara viktiga vid behandling av många mänskliga sjukdomar.

Läkemedel som interagerar med topoisomeraser studeras för närvarande som kemoterapeutiska ämnen mot cancerceller (i olika organ i kroppen) och patogena mikroorganismer.

-Inhibitionstyper

Läkemedel som hämmar topoisomerasaktivitet kan:

• Sandwiched i DNA.
• Påverkar enzymet topoisomeras.
• Interkalera i en molekyl nära det aktiva stället för enzymet medan DNA-topoisomeraskomplexet är stabiliserat.

Stabilisering av det övergående komplexet som bildas genom bindning av DNA till tyrosinet i enzymets katalytiska ställe förhindrar bindningen av de klyvda fragmenten, vilket kan leda till celldöd.

-Toisoisomerashämmare

Bland föreningarna som hämmar topoisomeraser är följande.

Antitumörantibiotika

Antibiotika används mot cancer eftersom de förhindrar tillväxten av tumörceller, vanligtvis stör deras DNA. Dessa kallas ofta antineoplastiska (cancer) antibiotika. Actinomycin D påverkar till exempel topoisomeras II och används i Wilms tumörer hos barn och rhabdomyosarkom.

antracykliner

Antracykliner är bland antibiotika, ett av de mest effektiva läkemedel mot cancer och med det bredaste spektrumet. De används för att behandla cancer i lungorna, äggstockarna, livmodern, magen, urinblåsan, bröst, leukemi och lymfom. Det är känt att påverka topoisomeras II genom intercalation i DNA.

Den första antracyklin som isolerades från en aktinobakterier (Streptomyces peucetius) var daunorubicin. Därefter syntetiserades doxorubicin på laboratoriet, och epirubicin och idarubicin används också idag.

antrakinoner

Antrakinoner eller antracenedioner är föreningar härledda från antracen, liknande antracykliner, som påverkar topoisomeras II-aktivitet genom interkalering i DNA. De används för metastaserande bröstcancer, icke-Hodgkins lymfom (NHL) och leukemi.

Dessa läkemedel hittades i pigment av vissa insekter, växter (frangula, senna, rabarber), lavar och svampar; liksom i hoelit, som är ett naturligt mineral. Beroende på din dos kan de vara cancerframkallande.

Bland dessa föreningar har vi mitoxantron och dess analoga, losoxantron. Dessa förhindrar spridning av maligna tumörceller och binder till DNA irreversibelt.

Epidophyllotoxins

Podofyllotoxiner, såsom epidofyllotoxiner (VP-16) och teniposid (VM-26), bildar ett komplex med topoisomeras II. De används mot lungcancer, testikel, leukemi, lymfom, äggstockscancer, bröstkarcinom och maligna intrakraniella tumörer, bland andra. Podophyllum notatum och P. peltatum isoleras från växter.

Camptothecin-analoger

Kampoteciner är föreningar som hämmar topoisomeras I, inklusive irinotekan, topotekan och diflomotekan.

Dessa föreningar har använts mot tjocktarms-, lung- och bröstcancer och erhålls naturligt från barken och bladen hos den arboreala arten Camptotheca acuminata i de kinesiska och tibetiska corneaceasna.

Naturlig hämning

Strukturella förändringar av topoisomeraser I och II kan också uppstå helt naturligt. Detta kan hända under vissa händelser som påverkar din katalytiska process.

Dessa förändringar inkluderar bildning av pyrimidindimerer, kvävebasmatchningar och andra händelser orsakade av oxidativ stress.

referenser

1. Anderson, H., & Roberge, M. (1992). DNA-topoisomeras II: En översikt av dess involvering i kromosomstruktur, DNA-replikation, transkription och mitos. Cell Biology International Reports, 16 (8): 717–724. doi: 10.1016 / s0309-1651 (05) 80016-5
2. Chhatriwala, H., Jafri, N., & Salgia, R. (2006). En översikt av hämning av topoisomeras vid lungcancer. Cancer Biology & Therapy, 5 (12): 1600–1607. doi: 10.4161 / cbt.5.12.3546
3. Ho, Y.-P., Au-Yeung, SCF, & To, KKW (2003). Platinbaserade anticancermedel: Innovativa designstrategier och biologiska perspektiv. Medicinal Research Reviews, 23 (5): 633–655. doi: 10.1002 / med.10038
4. Li, T.-K., & Liu, LF (2001). Tumörcelldöd inducerad av topoisomeras-målriktade läkemedel. Årlig översyn av farmakologi och toxikologi, 41 (1): 53–77. doi: 10.1146 / annurev.pharmtox.41.1.53
5. Liu, LF (1994). DNA-topoisomeraser: Topoisomeras-målriktade läkemedel. Academic Press. sid 307
6. Osheroff, N. och Bjornsti, M. (2001). DNA-topoisomeras. Enzymologi och droger. Vol. II. Humana Press. sid 329.
7. Rothenberg, ML (1997). Topoisomeras I-hämmare: Granska och uppdatera. Annals of Oncology, 8 (9), 837–855. doi: 10.1023 / a: 1008270717294
8. Ryan B. (2009, 14 december). Topoisomeras 1 och 2. Återställs från youtube.com