Характеристики топоізомераз, функції, типи та інгібітори



The топоізомерази є типом ферментів ізомерази, які модифікують топологію дезоксирибонуклеїнової кислоти (ДНК), генеруючи як її розкручування, так і її намотування і суперспіралізацію.

Ці ферменти мають специфічну роль у полегшенні торсіонного стресу в ДНК, так що важливі процеси, такі як його реплікація, транскрипція ДНК в рибнуклеїновій кислоті (мРНК) і рекомбінація ДНК можуть відбуватися..

Ферменти топоізомерази присутні як в еукаріотичних, так і в прокаріотичних клітинах. Її існування було передбачено вченими Уотсоном і Кріком, коли оцінювали обмеження, що представлені структурою ДНК, щоб дозволити доступ до її інформації (зберігається в її нуклеотидної послідовності)..

Щоб зрозуміти функції топоізомерази, слід враховувати, що ДНК має стабільну структуру подвійної спіралі, причому її ланцюги проколоті один над одним..

Ці лінійні ланцюги складаються з 2-дезоксирибози, з'єднаної фосфодіефірними зв'язками 5'-3 ', і азотисті основи в їхній внутрішній частині, подібно крокам гвинтових сходів.

Топологічне дослідження молекул ДНК показало, що вони можуть припускати декілька конформацій в залежності від їх торсіонного напруги: від розслабленого стану, до різних станів обмотки, що дозволяють їх ущільнення.

Молекули ДНК з різними конформаціями називають топоізомерами. Таким чином, можна зробити висновок, що топоізомерази I і II можуть збільшувати або зменшувати крутильні напруги молекул ДНК, утворюючи їх різні топоізомери..

Серед можливих топоізомерів ДНК найпоширенішою конформацією є суперспіралізація, яка є дуже компактною. Однак подвійна спіраль ДНК також повинна бути розгорнута топоізомеразами протягом декількох молекулярних процесів.

Індекс

  • 1 Характеристики
    • 1.1 Механізм загальної дії
    • 1.2 Топоізомерази і клітинний цикл
  • 2 Функції
    • 2.1 Компактне зберігання генетичного матеріалу
    • 2.2 Доступ до генетичної інформації
    • 2.3 Регулювання експресії генів
    • 2.4 Особливості топоізомерази II
  • 3 Види топоізомераз
    • 3.1-Топоізомерази типу I
    • 3.2 -Топоізомерази типу II
    • 3.3 - Топоізомерази людини
  • 4 Інгібітори топоізомеразу
    • 4.1-Топоізомерази як мішень для хімічного нападу
    • 4.2-Типи інгібування
    • 4.3 - Інгібітори топоізомеразу
  • 5 Посилання

Особливості

Механізм загальної дії

Деякі топоізомерази можуть розслабляти тільки негативні суперспиральники ДНК, або обидві ДНК-суперспини: позитивні і негативні.

Якщо кругова дволанцюгова ДНК розкручується на своїй поздовжній осі і виникає лівосторонній поворот (за годинниковою стрілкою), це вважається негативним суперспиралем. Якщо поворот за годинниковою стрілкою (проти годинникової стрілки), він позитивно скручений.

В основному, топоізомерази можуть:

-Сприяти проходженню нитки ДНК через розріз у протилежній нитці (топоізомераза типу I).

-Сприяти проходженню повної подвійної спіралі через розщеплення по собі, або через розщеплення в іншій різній подвійній спіралі (топоізомераза типу II).

Таким чином, топоізомерази діють шляхом розщеплення фосфодіефірних зв'язків в одній або обох нитках, що входять до складу ДНК. Потім змінюють стан намотування ниток подвійної спіралі (топоізомераза I) або двох подвійних спіралей (топоізомераза II), щоб, нарешті, повернутися або зв'язати кінці, вирізані.

Топоізомерази і клітинний цикл

Хоча топоізомераза I є ферментом, який проявляє більшу активність під час фази S (синтез ДНК), він не вважається залежним від фази клітинного циклу.

Хоча активність топоізомерази II більш активна під час логарифмічної фази росту клітин і в клітинах швидкозростаючих пухлин.

Функції

Зміна генів, що кодують топоізомерази, летальна для клітин, що свідчить про важливість цих ферментів. Серед процесів, в яких беруть участь топоізомерази, є:

Компактне зберігання генетичного матеріалу

Топоізомерази полегшують зберігання генетичної інформації в компактній манері, оскільки вони генерують намотування ДНК і суперспіралізацію, дозволяючи знайти велику кількість інформації у відносно невеликому обсязі.

Доступ до генетичної інформації

Якби не було топоізомераз та їх унікальних характеристик, було б неможливо отримати доступ до інформації, що зберігається в ДНК. Це пояснюється тим, що топоізомерази періодично вивільняють напругу шляхом скручування, що генерується в подвійній спіралі ДНК, під час її розмотування, в процесах реплікації, транскрипції та рекомбінації.

Якщо напруга, спричинене крученням, що утворюється під час цих процесів, не вивільняється, вона може виробляти дефектну експресію гена, переривання кругової ДНК або хромосоми, навіть виробляючи загибель клітин..

Регуляція експресії генів

Конформаційні зміни (в тривимірній структурі) молекули ДНК розкривають певні регіони ззовні, які можуть взаємодіяти з ДНК-зв'язуючими білками. Ці білки мають регуляторну функцію експресії генів (позитивні або негативні).

Таким чином, стан обмотки ДНК, що генерується дією топоізомеразу, впливає на регуляцію експресії гена.

Особливості топоізомерази II

Топоізомераза II необхідна для складання хроматид, конденсації і деконденсації хромосом і сегрегації дочірніх молекул ДНК під час мітозу.

Цей фермент є також структурним білком і однією з головних складових матриці клітинного ядра під час інтерфази.

Види топоізомераз

Існують два основних типи топоізомерази в залежності від того, чи здатні вони розщеплювати одну або дві нитки ДНК.

-Топоізомерази типу I

Мономерний                 

Топоізомерази I типу являють собою мономери, які полегшують негативні і позитивні суперспиральники, які виробляються рухом вилки під час транскрипції, і під час процесів реплікації і рекомбінації генів \ t.

Топоізомерази типу I можна поділити на тип 1А і тип 1В. Останні є тими, що зустрічаються у людей, і є відповідальними за розслаблення суперспиральної ДНК.

Тирозин в його активному місці

Топоізомераза 1B (Top1B) складається з 765 амінокислот, розділених на 4 специфічні домени. Один з цих доменів має висококонсервативну область, яка містить активний сайт з тирозином (Tyr7233). Всі топоізомерази присутні в їх активному ділянці тирозин з фундаментальною роллю у всьому каталітичному процесі.

Механізм дії

Тирозин з активного ділянки утворює ковалентную зв'язок з 3'-фосфатним кінцем нитки ДНК, відсікаючи його і зберігаючи прикріплений до ферменту, проходячи іншу нитку ДНК через висічення..

Проходження іншої нитки ДНК через висічену нитку досягається завдяки конформаційної трансформації ферменту, який виробляє відкриття ДНК подвійної спіралі \ t.

Потім топоізомераза I повертається до своєї початкової конформації і знову зв'язує зрізані кінці. Це відбувається шляхом процесу, зворотного розриву ланцюга ДНК, в каталітичному сайті ферменту. Нарешті, топоізомераза вивільняє ланцюг ДНК.

Швидкість лігування ДНК вище, ніж швидкість видалення, що забезпечує стабільність молекули і цілісність геному.

Таким чином, топоізомераза I типу каталізує:

  1. Висічення нитки.
  2. Проходження іншої нитки через розкол.
  3. Лігування розщеплених кінців.

-Топоізомерази типу II

Diméricas

Топоізомерази II типу є димерними ферментами, які розщеплюють обидві ланцюги ДНК, таким чином розслабляючи суперспиралі, які утворюються під час транскрипції та інших клітинних процесів.

Mg Залежні++ і АТФ

Ці ферменти потребують магнію (Mg++), а також потрібна енергія, яка виникає внаслідок розпаду трифосфатної сполуки АТФ, яку вони використовують завдяки ATPase.

Дві активні ділянки з тирозином

Людські топоізомерази II дуже схожі на ті з дріжджів (Saccharomyces cerevisiae), який складається з двох мономерів (субфрагментов A і B). Кожен мономер має АТФазний домен, а в субфрагменте активний сайт тирозину 782, до якого ДНК може зв'язуватися. Таким чином, дві нитки ДНК можуть бути приєднані до топоізомеразі II.

Механізм дії

Механізм дії топоізомерази II такий же, як описаний для топоізомерази I, враховуючи, що дві ланцюги ДНК розщеплені і не тільки одна.

У активному місці топоізомерази II фрагмент білка стабілізується (за допомогою ковалентного зв'язування з тирозином). подвійна спіраль ДНК, званої "фрагментом G". Цей фрагмент розщеплюється і утримується пов'язаним з активним сайтом ковалентними зв'язками.

Потім фермент дозволяє іншому фрагменту ДНК, званому "Т-фрагментом", проходити через фрагмент "G", розщеплений, завдяки конформаційної зміні ферменту, який залежить від гідролізу АТФ..

Топоізомераза II зв'язує два кінці "фрагмента G" і, нарешті, відновлює свій початковий стан, вивільняючи фрагмент "G". Потім ДНК розслаблює напруження кручення, дозволяючи протікати процеси реплікації і транскрипції.

-Топоізомерази людини

Геном людини має п'ять топоізомераз: top1, top3α, top3β (типу I); і top2α, top2β (типу II). Найбільш релевантними людськими топоізомеразами є top1 (топоізомераза типу IB) і 2α (топоізомераза типу II)..

Інгібітори топоізомеразу

-Топоізомерази в якості мішені для хімічної атаки

Оскільки процеси, які каталізуються топоізомеразами, необхідні для виживання клітин, ці ферменти є гарною мішенню нападу для впливу на злоякісні клітини. Для цього топоізомерази вважаються важливими в лікуванні багатьох захворювань людини.

Лікарські засоби, які взаємодіють з топоізомеразами, в даний час широко вивчені як хіміотерапевтичні речовини проти ракових клітин (в різних органах тіла) і патогенних мікроорганізмів.

-Види гальмування

Препарати топоізомеразної активності можуть:

  • Всмоктування в ДНК.
  • Впливають на фермент топоізомеразу.
  • Переплетення до молекули поблизу активного сайту ферменту, в той час як комплекс ДНК-топоізомеразу стабілізований.

Стабілізація перехідного комплексу, що утворюється при зв'язуванні ДНК з тирозином каталітичного сайту ферменту, перешкоджає об'єднанню висічених фрагментів, що може призвести до загибелі клітин..

-Інгібітори топоізомеразу

Серед сполук, які інгібують топоізомерази, є наступні.

Протипухлинні антибіотики

Антибіотики використовуються проти раку, оскільки вони перешкоджають зростанню пухлинних клітин, зазвичай заважаючи їхній ДНК. Їх часто називають антинеопластичними антибіотиками (проти раку). Актиноміцин D, наприклад, впливає на топоізомеразу II і використовується в пухлинах Вільмса у дітей і в рабдоміосаркомах.

Антрацикліни

Антрацикліни - серед антибіотиків, найбільш ефективні протипухлинні препарати і найширший спектр. Вони застосовуються при лікуванні раку легенів, яєчників, матки, шлунка, сечового міхура, молочної залози, лейкемії та лімфом. Відомо, що топоізомераза II впливає на інтеркаляцію в ДНК.

Перший антрациклин, виділений з актинобактерій (Streptomyces peucetius) був даунорубіцин. Після цього в лабораторії синтезували доксорубіцин, тепер також використовували епірубіцин та ідарубіцин..

Антрахінони

Антрахінони або антрацендіони являють собою сполуки, отримані з антрацену, аналогічні антрациклінам, які впливають на активність топоізомерази II шляхом інтеркаляції в ДНК. Вони використовуються для метастатичного раку молочної залози, неходжкінської лімфоми (НХЛ) і лейкемії.

Ці препарати були виявлені в пігментах деяких комах, рослин (frángula, senna, rhubarb), лишайників і грибів; як і в hoelita, який є природним мінералом. Залежно від їх дози вони можуть бути канцерогенними.

Серед цих сполук митоксантрон і його аналог лозоксантрону. Вони запобігають проліферації злоякісних пухлинних клітин, що зв'язуються необоротно з ДНК.

Епідофілотоксини

Подофілотоксини, такі як епідофілотоксини (VP-16) і теніпозид (VM-26), утворюють комплекс з топоізомеразою II. Їх використовують проти раку легенів, яєчок, лейкемії, лімфом, раку яєчників, раку молочної залози та злоякісних внутрішньочерепних пухлин. Вони виділяються з рослин Podophyllum notatum і P. peltatum.

Аналоги камптотецинів

Кампотецини є сполуками, які інгібують топоізомеразу I, і серед них іринотекан, топотекан і дипломотекан.

Ці сполуки використовувалися проти раку товстої кишки, легенів і молочної залози і отримані природним чином з кори і листя деревних порід Camptotheca acuminata китайських персиків і Тибету.

Природне гальмування

Структурні зміни топоізомераз I і II також можуть відбуватися повністю природним шляхом. Це може статися під час деяких подій, які впливають на його каталітичний процес.

Серед цих змін можна назвати утворення піримідинових димерів, невідповідності азотистих основ і інших подій, викликаних окислювальним стресом..

Список літератури

  1. Anderson, H., & Roberge, M. (1992). ДНК-топоізомераза II: огляд її залучення в хромосомну структуру, реплікацію ДНК, транскрипцію і мітоз. Міжнародні звіти біології клітин, 16 (8): 717-724. doi: 10.1016 / s0309-1651 (05) 80016-5
  2. Chhatriwala, H., Jafri, N., & Salgia, R. (2006). Огляд інгібування топоізомеразу при раку легенів. 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). Протиракові агенти на основі платини: Інноваційні стратегії дизайну та біологічні перспективи. Medicinal Research Reviews, 23 (5): 633-655. doi: 10.1002 / med.10038
  4. Li, T.-K., & Liu, L.F. (2001). Загибель клітин пухлини, індукована топоизомеразой-націлюючими препаратами. Щорічний огляд фармакології та токсикології, 41 (1): 53-77. doi: 10.1146 / annurev.pharmtox.41.1.53
  5. Лю, Л. Ф. (1994). ДНК-топоізомерази: націлені на топоізомеразу препарати. Academic Press. п. 307
  6. Osheroff, N. і Bjornsti, M. (2001). ДНК топоізомеразу. Ензимологія та ліки. Том II. Humana Press. pp. 329.
  7. Ротенберг, М. Л. (1997). Інгібітори топоізомерази I: Огляд і оновлення. Annals of Oncology, 8 (9), 837-855. doi: 10.1023 / a: 1008270717294
  8. Ryan B. (2009, 14 грудня). Топоізомерази 1 і 2. [Відеофайл]. Отримано з youtube.com