Χαρακτηριστικά, λειτουργίες, τύποι και αναστολείς της τοποϊσομεράσης

Το τοποϊσομεράσες είναι ένας τύπος ενζύμων ισομεράσης που τροποποιεί την τοπολογία του δεσοξυριβονουκλεϊνικού οξέος (DNA), δημιουργώντας τόσο την εκτύλιξή του όσο και την περιέλιξη και την υπερέκφραση.

Αυτά τα ένζυμα έχουν ένα συγκεκριμένο ρόλο στην ανακούφιση στρεπτική καταπόνηση σε DNA για τέτοιες σημαντικές διαδικασίες όπως μπορεί να συμβεί αντιγραφή, μεταγραφή του DNA σε αγγελιοφόρο ριβονουκλεϊκό οξύ (mRNA) και ϋΝΑ ανασυνδυασμό.

Τα ένζυμα τοποϊσομεράσης υπάρχουν σε ευκαρυωτικά και προκαρυωτικά κύτταρα. Η ύπαρξή του προβλέφθηκε από τους επιστήμονες Watson και Crick, όταν αξιολόγησε τους περιορισμούς που παρουσίασε η δομή DNA για να επιτρέψει την πρόσβαση στις πληροφορίες της (αποθηκευμένες στην αλληλουχία νουκλεοτιδίων της).

Για να κατανοηθούν οι λειτουργίες των τοποϊσομεράσων, πρέπει να θεωρηθεί ότι το DNA έχει μια σταθερή δομή διπλής έλικας, με τις αλυσίδες να κυλίονται το ένα πάνω στο άλλο.

Αυτές οι γραμμικές αλυσίδες αποτελούνται από δύο-desoxiribosas συνδέονται με φωσφοδιεστέρα 5'-3», και στο εσωτερικό αζωτούχες βάσεις, όπως σκαλοπάτια μιας σκάλας σχήματος σπιράλ.

Η τοπολογική μελέτη των μορίων του DNA έχει δείξει ότι μπορούν να αναλάβουν διάφορες διαμορφώσεις ανάλογα με τη στρεπτική τους τάση: από μια χαλαρή κατάσταση, σε διαφορετικές καταστάσεις τύλιξης που επιτρέπουν την συμπίεσή τους.

Μόρια ϋΝΑ με διαφορετικές διαμορφώσεις ονομάζονται τοποϊσομερή. Έτσι, μπορούμε να συμπεράνουμε ότι οι τοποϊσομεράσες Ι και II, μπορούν να αυξήσουν ή να μειώσουν την στρεπτική τάση των μορίων ϋΝΑ, σχηματίζοντας τα διαφορετικά τους τοποϊσομερή.

Μεταξύ των πιθανών τοποϊσομερών ϋΝΑ, η συνηθέστερη διαμόρφωση είναι η υπερέκφραση, η οποία είναι πολύ συμπαγής. Ωστόσο, η διπλή έλικα του DNA πρέπει επίσης να ξετυλιχθεί από τοποϊσομεράσες κατά τη διάρκεια αρκετών μοριακών διεργασιών.

Ευρετήριο

• 1 Χαρακτηριστικά
  • 1.1 Μηχανισμός γενικής δράσης
  • 1.2 Τοποϊσομεράσες και κυτταρικός κύκλος
• 2 Λειτουργίες
  • 2.1 Συμπαγής αποθήκευση γενετικού υλικού
  • 2.2 Πρόσβαση σε γενετικές πληροφορίες
  • 2.3 Ρύθμιση έκφρασης γονιδίων
  • 2.4 Ιδιαιτερότητες της τοποϊσομεράσης II
• 3 Τύποι τοποϊσομεράσης
  • 3.1-Τοποϊσομεράσες τύπου Ι
  • 3.2-Τοποϊσομεράσες τύπου II
  • 3.3 - Ανθρώπινες τοποϊσομεράσες
• 4 Αναστολείς της τοποϊσομεράσης
  • 4.1-Τοποϊσομεράσες ως στόχος για χημική επίθεση
  • 4.2-Τύποι αναστολής
  • 4.3 - Φάρμακα αναστολέα τοποϊσομεράσης
• 5 Αναφορές

Χαρακτηριστικά

Μηχανισμός γενικής δράσης

Ορισμένες τοποϊσομεράσες μπορούν να χαλαρώσουν μόνο τα αρνητικά supercoils DNA ή και τα δύο supercoils DNA: θετικά και αρνητικά.

Αν το κυκλικό δίκλωνο DNA ξετυλιχθεί στον διαμήκη άξονά του και εμφανιστεί μια αριστερόχειρη στροφή (δεξιόστροφα), λέγεται ότι είναι υπερσυστραμμένο αρνητικά. Εάν η στροφή είναι δεξιόστροφα (αριστερόστροφα), είναι θετικά σπειροειδής.

Βασικά, οι τοποϊσομεράσες μπορούν:

-Διευκολύνουν τη διέλευση ενός κλώνου DNA μέσω κοπής στον αντίθετο κλώνο (τοποϊσομεράση τύπου Ι).

-Διευκολύνουν τη διέλευση μιας πλήρους διπλής έλικας μέσω ενός χωρίσματος από μόνο του ή μέσω διαχωρισμού σε άλλη διαφορετική διπλή έλικα (τοποϊσομεράση τύπου II).

Συνοπτικά, οι τοποϊσομεράσες δρουν μέσω της διάσπασης δεσμών φωσφοδιεστέρα, σε έναν ή και τους δύο κλώνους που συνθέτουν το ϋΝΑ. Στη συνέχεια τροποποιούν την κατάσταση της περιέλιξης των κλώνων της διπλής έλικας (τοποϊσομεράσης Ι) ή δύο διπλούς έλικες (τοποϊσομεράσης II), και τέλος επιστρέφουν για να δέσει ή να δεσμεύσει τα αποκοπέντα άκρα.

Τοποϊσομεράσες και κυτταρικός κύκλος

Αν και η τοποϊσομεράση Ι είναι ένα ένζυμο που εμφανίζει μεγαλύτερη δραστικότητα κατά τη φάση S (σύνθεση ϋΝΑ), δεν θεωρείται ότι εξαρτάται από μία φάση του κυτταρικού κύκλου.

Ενώ η δράση της τοποϊσομεράσης II είναι περισσότερο δραστική κατά τη διάρκεια της λογαριθμικής φάσης της κυτταρικής ανάπτυξης και στα κύτταρα των ταχέως αναπτυσσόμενων όγκων.

Λειτουργίες

Η αλλοίωση των γονιδίων που κωδικοποιούν τις τοποϊσομεράσες είναι θανατηφόρα για τα κύτταρα, αποδεικνύοντας τη σημασία αυτών των ενζύμων. Μεταξύ των διαδικασιών στις οποίες συμμετέχουν οι τοποϊσομεράσες, είναι:

Συμπαγής αποθήκευση γενετικού υλικού

Οι τοποϊσομεράσες διευκολύνουν την αποθήκευση γενετικών πληροφοριών με έναν συμπαγή τρόπο, διότι δημιουργούν περιελίξεις ϋΝΑ και υπερέκλαση, επιτρέποντας την εύρεση μιας μεγάλης ποσότητας πληροφοριών σε σχετικά μικρό όγκο.

Πρόσβαση σε γενετικές πληροφορίες

Αν δεν υπήρχαν τοποϊσομεράσες και τα μοναδικά τους χαρακτηριστικά, θα ήταν αδύνατο να αποκτήσετε πρόσβαση στις πληροφορίες που αποθηκεύτηκαν στο DNA. Αυτό οφείλεται στο ότι οι τοποϊσομεράσες απελευθερώνουν περιοδικά την τάση με συστροφή που δημιουργείται στη διπλή έλικα του ϋΝΑ, κατά την εκτύλιξή του, στις διαδικασίες αντιγραφής, μεταγραφής και ανασυνδυασμού.

Εάν η τάση που οφείλεται στη στρέψη που δημιουργείται κατά τη διάρκεια αυτών των διαδικασιών δεν απελευθερώνεται, θα μπορούσε να προκαλέσει ελαττωματική γονιδιακή έκφραση, διακοπή του κυκλικού ϋΝΑ ή χρωμοσώματος, ακόμη και προκαλώντας κυτταρικό θάνατο.

Ρύθμιση έκφρασης γονιδίων

Οι αλλαγές διαμόρφωσης (στην τρισδιάστατη δομή) του μορίου του DNA εκθέτουν συγκεκριμένες περιοχές στο εξωτερικό, οι οποίες μπορούν να αλληλεπιδράσουν με τις πρωτεΐνες δέσμευσης του DNA. Αυτές οι πρωτεΐνες έχουν ρυθμιστική λειτουργία της γονιδιακής έκφρασης (θετική ή αρνητική).

Έτσι, η κατάσταση της περιέλιξης του DNA, που παράγεται από τη δράση των τοποϊσομεράσεων, επηρεάζει τη ρύθμιση της γονιδιακής έκφρασης.

Ιδιαιτερότητες της τοποϊσομεράσης II

Η τοποϊσομεράση II είναι απαραίτητη για τη συναρμολόγηση των χρωματοειδών, τη συμπύκνωση και την αποσυμπύκνωση των χρωμοσωμάτων και τον διαχωρισμό των μορίων θυγατρικών DNA κατά τη διάρκεια της μίτωσης.

Αυτό το ένζυμο είναι επίσης δομική πρωτεΐνη και ένα από τα κύρια συστατικά της μήτρας του κυτταρικού πυρήνα κατά τη διάρκεια της ενδιάμεσης φάσης.

Τύποι τοποϊσομεράσης

Υπάρχουν δύο κύριοι τύποι τοποϊσομεράσεων ανάλογα με το αν είναι ικανά να διασπάσουν έναν ή δύο κλώνους DNA.

-Τοποϊσομεράσες τύπου Ι

Μονομερές                 

Οι τοποϊσομεράσες τύπου Ι είναι μονομερή που ανακουφίζουν τα αρνητικά και θετικά υπερσώματα, τα οποία παράγονται από την κίνηση του πιρουνιού κατά τη διάρκεια της μεταγραφής και κατά τη διάρκεια των διαδικασιών αντιγραφής και ανασυνδυασμού γονιδίων.

Οι τοποϊσομεράσες τύπου Ι μπορούν να υποδιαιρεθούν σε τύπους 1Α και 1Β. Τα τελευταία είναι εκείνα που βρίσκονται στον άνθρωπο και είναι υπεύθυνα για την χαλάρωση του υπερελικωμένου DNA.

Τυροσίνη στην ενεργό περιοχή της

Η τοποϊσομεράση 1Β (Top1B) αποτελείται από 765 αμινοξέα διαιρούμενα σε 4 συγκεκριμένους τομείς. Ένας από αυτούς τους τομείς έχει μια εξαιρετικά συντηρημένη περιοχή που περιέχει την ενεργό θέση με τυροσίνη (Tyr7233). Όλες οι τοποϊσομεράσες εμφανίζουν στην ενεργό τους θέση μια τυροσίνη με θεμελιώδη ρόλο σε ολόκληρη την καταλυτική διαδικασία.

Μηχανισμός δράσης

Τυροσίνη δραστική θέση σχηματίζει έναν ομοιοπολικό δεσμό με την 3'-φωσφορικού της αλυσίδας του DNA, την κοπή και εκμετάλλευση δεσμεύεται στο ένζυμο, ενώ ένας άλλος κλώνος DNA διέρχεται μέσω διάσπασης.

Η διέλευση του άλλου κλώνου του ϋΝΑ διαμέσου του αποκοπέντος κλώνου επιτυγχάνεται χάρη σε ένα διαμορφωτικό μετασχηματισμό του ενζύμου, το οποίο παράγει το άνοιγμα της διπλής έλικας DNA.

Στη συνέχεια, η τοποϊσομεράση Ι επιστρέφει στην αρχική της διαμόρφωση και δεσμεύει και πάλι τα αποκομμένα άκρα. Αυτό συμβαίνει με μια διαδικασία αντίστροφη στη θραύση της αλυσίδας του DNA, στην καταλυτική θέση του ενζύμου. Τέλος, η τοποϊσομεράση απελευθερώνει τον κλώνο DNA.

Ο ρυθμός σύνδεσης DNA είναι υψηλότερος από τον ρυθμό εκτομής, ο οποίος εξασφαλίζει τη σταθερότητα του μορίου και την ακεραιότητα του γονιδιώματος.

Συνοπτικά, η τοποϊσομεράση τύπου Ι καταλύει:

1. Η εκτομή ενός κλώνου.
2. Το πέρασμα του άλλου σκέλους μέσα από τη διάσπαση.
3. Η σύνδεση των διαχωριστικών άκρων.

-Τοποϊσομεράσες τύπου II

Ο Δημήτρης

Οι τοποϊσομεράσες τύπου II είναι διμερή ένζυμα, τα οποία διασπούν και τα δύο κλώσματα του DNA, χαλαρώνοντας έτσι τα supercoils που δημιουργούνται κατά τη διάρκεια της μεταγραφής και άλλες κυτταρικές διεργασίες.

Εξαρτώμενα από Mg⁺⁺ και ATP

Αυτά τα ένζυμα χρειάζονται μαγνήσιο (Mg⁺⁺) και χρειάζονται επίσης την ενέργεια που προέρχεται από τη διάσπαση της διασύνδεσης τριφωσφορικού ΑΤΡ, την οποία εκμεταλλεύονται χάρη σε μια ATPase.

Δύο ενεργές θέσεις με τυροσίνη

Οι ανθρώπινες τοποϊσομεράσες II είναι πολύ παρόμοιες με αυτές της ζύμης (Saccharomyces cerevisiae), το οποίο αποτελείται από δύο μονομερή (υποκλάσματα Α και Β). Κάθε μονομερές έχει περιοχή ΑΤΡάσης, και σε ένα υποκλάσμα η δραστική θέση τυροσίνης 782, στην οποία μπορεί να προσδεθεί το ϋΝΑ. Επομένως, δύο κλώνοι DNA μπορούν να ενωθούν με την τοποϊσομεράση II.

Μηχανισμός δράσης

Ο μηχανισμός δράσης της τοποϊσομεράσης II είναι ο ίδιος με αυτόν που περιγράφεται για την τοποϊσομεράση Ι, λαμβάνοντας υπόψη ότι δύο αλυσίδες DNA διασπώνται και όχι μόνο μία.

Στην ενεργό θέση της τοποϊσομεράσης II, ένα θραύσμα της πρωτεΐνης σταθεροποιείται (μέσω ομοιοπολικής σύνδεσης με τυροσίνη). διπλή έλικα του DNA, που ονομάζεται "θραύσμα G". Αυτό το θραύσμα διασπάται και διατηρείται συνδεδεμένο στην ενεργό θέση με ομοιοπολικούς δεσμούς.

Στη συνέχεια, το ένζυμο επιτρέπει άλλου θραύσματος DNA, που ονομάζεται «θραύσμα Τ», περνά μέσα από το διασπασμένο θραύσμα «G» οφείλεται σε μια διαμορφωτική μεταβολή του ενζύμου, η οποία εξαρτάται από ΑΤΡ υδρόλυση.

Η τοποϊσομεράση II δεσμεύει τα δύο άκρα του "θραύσματος G" και τελικά ανακτά την αρχική της κατάσταση απελευθερώνοντας το θραύσμα "G". Στη συνέχεια, το DNA χαλαρώνει τη στρεπτική τάση, επιτρέποντας να εμφανιστούν οι διαδικασίες αντιγραφής και μεταγραφής.

-Ανθρώπινες τοποϊσομεράσες

Το ανθρώπινο γονιδίωμα έχει πέντε τοποϊσομεράσες: top1, top3a, top3β (τύπου Ι). και top2α, top2β (τύπου II). Οι πιο σχετικές ανθρώπινες τοποϊσομεράσες είναι top1 (τοποϊσομεράση τύπου ΙΒ) και 2α (τοποϊσομεράση τύπου II).

Αναστολείς τοποϊσομεράσης

-Οι τοποϊσομεράσες ως στόχος για χημική επίθεση

Επειδή οι διαδικασίες που καταλύονται από τις τοποϊσομεράσες είναι απαραίτητες για την επιβίωση των κυττάρων, αυτά τα ένζυμα είναι καλοί στόχοι επίθεσης για να επηρεάσουν τα κακοήθη κύτταρα. Γι 'αυτό, οι τοποϊσομεράσες θεωρούνται σημαντικές στη θεραπεία πολλών ανθρώπινων ασθενειών.

Τα φάρμακα που αλληλεπιδρούν με τις τοποϊσομεράσες επί του παρόντος μελετώνται ευρέως ως χημειοθεραπευτικές ουσίες κατά των καρκινικών κυττάρων (σε διάφορα όργανα του σώματος) και των παθογόνων μικροοργανισμών.

-Τύποι αναστολής

Τα ανασταλτικά φάρμακα της τοποϊσομεράσης μπορούν:

• Η πρόσληψη στο DNA.
• Επηρεάζει το ένζυμο τοποϊσομεράσης.
• Διεισδύστε σε ένα μόριο κοντά στην ενεργό θέση του ενζύμου ενώ το σύμπλοκο DNA-τοποϊσομεράσης σταθεροποιείται.

Η σταθεροποίηση του παροδικού συμπλόκου που σχηματίζεται από τη σύνδεση του ϋΝΑ με την τυροσίνη της καταλυτικής θέσης του ενζύμου, αποτρέπει την ένωση των εκτομημένων θραυσμάτων, τα οποία μπορούν να οδηγήσουν σε κυτταρικό θάνατο.

-Αναστολείς των τοποϊσομεράσεων

Μεταξύ των ενώσεων που αναστέλλουν τις τοποϊσομεράσες, είναι οι ακόλουθες.

Αντιβιοτικά κατά όγκων

Τα αντιβιοτικά χρησιμοποιούνται κατά του καρκίνου, καθώς εμποδίζουν την ανάπτυξη κυττάρων όγκου, συνήθως παρεμβαίνοντας στο DNA τους. Συχνά ονομάζονται αντινεοπλαστικά αντιβιοτικά (κατά του καρκίνου). Η ακτινομυκίνη D, για παράδειγμα, επηρεάζει την τοποϊσομεράση II και χρησιμοποιείται σε όγκους Wilms σε παιδιά και σε ραβδομυοσαρκώματα.

Ανθρακυκλίνες

Οι ανθρακυκλίνες είναι, μεταξύ των αντιβιοτικών, τα πιο αποτελεσματικά αντικαρκινικά φάρμακα και το ευρύτερο φάσμα. Χρησιμοποιούνται στη θεραπεία του καρκίνου του πνεύμονα, των ωοθηκών, της μήτρας, του στομάχου, της ουροδόχου κύστης, του μαστού, της λευχαιμίας και των λεμφωμάτων. Είναι γνωστό ότι επηρεάζει την τοποϊσομεράση II με παρεμβολή στο DNA.

Η πρώτη ανθρακυκλίνη που απομονώνεται από ακτινοβακτήρια (Streptomyces peucetius) ήταν η δαουνορουβικίνη. Στη συνέχεια, η δοξορουβικίνη συντέθηκε στο εργαστήριο και τώρα χρησιμοποιούνται επίσης η επιρουβικίνη και η ιδαρουμπικίνη..

Αντραχινόνες

Οι ανθρακινόνες ή τα ανθρακεντίδια είναι ενώσεις που προέρχονται από ανθρακένιο, όμοια με ανθρακυκλίνες, οι οποίες επηρεάζουν τη δράση της τοποϊσομεράσης II με παρεμβολή στο DNA. Χρησιμοποιούνται για μεταστατικό καρκίνο του μαστού, λέμφωμα μη Hodgkin (NHL) και λευχαιμία.

Αυτά τα φάρμακα βρέθηκαν στις χρωστικές ουσίες ορισμένων εντόμων, φυτών (φραγκούλα, σέννα, ραβέντι), λειχήνων και μυκήτων. καθώς και στη χαλίτα, η οποία είναι φυσικό ορυκτό. Ανάλογα με τη δόση τους, μπορεί να είναι καρκινογόνοι.

Μεταξύ αυτών των ενώσεων, έχουμε μιτοξαντρόνη και την ανάλογη λοξαξαντρόνη της. Αυτά προλαμβάνουν τον πολλαπλασιασμό των κακοήθων καρκινικών κυττάρων, δεσμεύοντας μη αναστρέψιμα το DNA.

Επιδοφυλοτοξίνες

Οι ποδοφυλλοτοξίνες, όπως οι επιδοφυλοτοξίνες (VP-16) και η τενιποσίδη (VM-26), σχηματίζουν ένα σύμπλεγμα με τοποϊσομεράση II. Χρησιμοποιούνται κατά του καρκίνου του πνεύμονα, των όρχεων, της λευχαιμίας, των λεμφωμάτων, του καρκίνου των ωοθηκών, του καρκίνου του μαστού και των κακοήθων ενδοκρανιακών όγκων, μεταξύ άλλων. Απομονώνονται από τα φυτά Podophyllum notatum και Ρ. Peltatum.

Ανάλογα καμπτοθεκίνης

Οι καμποτεκίνες είναι ενώσεις που αναστέλλουν την τοποϊσομεράση Ι, και μεταξύ αυτών είναι η ιρινοτεκάνη, η τοποτεκάνη και η διφλοβοτεκάνη.

Αυτές οι ενώσεις έχουν χρησιμοποιηθεί ενάντια στον καρκίνο του παχέος εντέρου, του πνεύμονα και του μαστού, και λαμβάνονται φυσικά από το φλοιό και τα φύλλα του δενδρόβιου είδους Camptotheca acuminata των κινεζικών ροδάκινων και του Θιβέτ.

Φυσική αναστολή

Οι δομικές μεταβολές των τοποϊσομεράσεων Ι και II μπορούν επίσης να εμφανιστούν εντελώς φυσικά. Αυτό μπορεί να συμβεί κατά τη διάρκεια ορισμένων γεγονότων που επηρεάζουν την καταλυτική του διαδικασία.

Μεταξύ αυτών των αλλαγών, μπορούμε να αναφέρουμε το σχηματισμό διμερών πυριμιδίνης, αναντιστοιχίες αζωτούχων βάσεων και άλλα γεγονότα που προκαλούνται από οξειδωτικό στρες.

Αναφορές

1. Anderson, Η., & Roberge, Μ. (1992). DNA τοποϊσομεράση II: Ανασκόπηση της συμμετοχής της στη δομή χρωμοσώματος, αντιγραφή του DNA, μεταγραφή και μίτωση. Cell Biology International Reports, 16 (8): 717-724. doi: 10.1016 / s0309-1651 (05) 80016-5
2. Chhatriwala, Η., Jafri, Ν. & Salgia, R. (2006). Μια ανασκόπηση της αναστολής της τοποϊσομεράσης στον καρκίνο του πνεύμονα. Cancer Biology & Therapy, 5 (12): 1600-1607. doi: 10.4161 / cbt.5.12.3546
3. Ho, Y.-P., Au-Yeung, S.C. F., & To, Κ. Κ. W. (2003). Αντικαρκινικοί παράγοντες με βάση το λευκόχρυσο: καινοτόμες στρατηγικές σχεδιασμού και βιολογικές προοπτικές. Medicinal Research Reviews, 23 (5): 633-655. doi: 10.1002 / med.10038
4. Li, Τ.- Κ., & Liu, L. F. (2001). Ο θάνατος των κυττάρων όγκου που επάγεται από φάρμακα στόχευσης τοποϊσομεράσης. Annual Review of Pharmacology and Toxicology, 41 (1): 53-77. doi: 10.1146 / annurev.pharmtox.41.1.53
5. Liu, L. F. (1994). DNA Τοποϊσομεράσες: Φάρμακα στόχευσης τοποϊσομεράσης. Academic Press. σ. 307
6. Osheroff, Ν. Και Bjornsti, Μ. (2001). DNA Τοποϊσομεράση. Ενζυμολογία και Φάρμακα. Τόμος ΙΙ. Humana Press. σσ 329.
7. Rothenberg, Μ. L. (1997). Αναστολείς της τοποϊσομεράσης Ι: Ανασκόπηση και ενημέρωση. Annals of Oncology, 8 (9), 837-855. doi: 10.1023 / α: 1008270717294
8. Ryan B. (2009, Δεκέμβριος 14). Topoisomerase 1 και 2. [Αρχείο βίντεο]. Ανακτήθηκε από youtube.com