Topoisomeraaside omadused, funktsioonid, tüübid ja inhibiitorid



The topoisomeraasid on isomeraasi ensüümide tüüp, mis modifitseerivad deoksüribonukleiinhappe (DNA) topoloogiat, tekitades nii selle lahtitulemise kui selle mähise ja ülekoormuse..

Neil ensüümidel on spetsiifiline roll väändepinge leevendamisel DNA-s, nii et olulised protsessid, nagu selle replikatsioon, DNA transkriptsioon messenger ribonukleiinhappes (mRNA) ja DNA rekombinatsioon võivad tekkida..

Topoisomeraasi ensüümid esinevad nii eukarüootsetes kui ka prokarüootsetes rakkudes. Selle olemasolu ennustasid teadlased Watson ja Crick, kui hinnati piiranguid, mida DNA struktuur esitas, et võimaldada juurdepääsu selle teabele (salvestatud selle nukleotiidjärjestuses).

Topoisomeraaside funktsioonide mõistmiseks tuleb arvestada, et DNA-l on stabiilne kahekordse spiraaliga struktuur, mille ketid rullitakse üksteise peale.

Need lineaarsed ahelad koosnevad 2-deoksüriboosist, mis on ühendatud fosfodiestersidemetega 5'-3 ', ja lämmastiku alustest nende sisemuses, nagu spiraalse trepi astmed.

DNA molekulide topoloogiline uuring on näidanud, et nad võivad eeldada mitut konformatsiooni sõltuvalt nende väändepingest: lõdvestunud olekust kuni erinevate mähisolekuteni, mis võimaldavad nende tihendamist..

Erinevate konformatsioonidega DNA molekule nimetatakse topoisomeerideks. Seega võime järeldada, et topoisomeraasid I ja II võivad suurendada või vähendada DNA molekulide väändejõudu, moodustades nende erinevad topoisomeerid..

Võimalike DNA topoisomeeride hulgas on kõige levinum konformatsioon superkoormus, mis on väga kompaktne. Siiski peab topoisomeraaside DNA-d kahekordse heeliksi katkestama mitme molekulaarse protsessi käigus.

Indeks

  • 1 Omadused
    • 1.1 Üldise tegevuse mehhanism
    • 1.2 Topoisomeraasid ja rakutsükkel
  • 2 Funktsioonid
    • 2.1 Geneetilise materjali kompaktne ladustamine
    • 2.2 Juurdepääs geneetilisele teabele
    • 2.3 Geeniekspressiooni reguleerimine
    • 2.4 Topoisomeraasi II eripära
  • 3 Topoisomeraaside tüübid
    • 3.1-I tüüpi topoisomeraasid
    • 3.2 -Topoisomeraasid II tüüpi
    • 3.3 - Inimese topoisomeraasid
  • 4 Topoisomeraasi inhibiitorid
    • 4.1-Topoisomeraasid kui keemilise rünnaku sihtmärk
    • 4.2 - inhibeerimise liigid
    • 4.3 - Topoisomeraasi inhibiitorid
  • 5 Viited

Omadused

Üldise tegevuse mehhanism

Mõned topoisomeraasid võivad lõdvestada ainult negatiivseid DNA supersoolasid või mõlemaid DNA supersoolasid: positiivseid ja negatiivseid.

Kui ümmargune kaheahelaline DNA avaneb selle pikiteljel ja tekib vasakpoolne käik (päripäeva), siis väidetakse, et see on ülekoormatud negatiivselt. Kui käik on päripäeva (vastupäeva), on see positiivselt super-keeratud.

Põhimõtteliselt võivad topoisomeraasid:

-Hõlbustada DNA ahela läbipääsu vastupidises ahelas (I tüüpi topoisomeraas).

-Hõlbustada täieliku kahekordse spiraali läbipääsu läbi lõhenemise iseseisvalt või läbi teise erineva topeltheliksi (II tüüpi topoisomeraas) jagamise.

Kokkuvõttes toimivad topoisomeraasid fosfodiestersidemete lõhustumise kaudu ühes või mõlemas DNA-d moodustavas ahelas. Seejärel modifitseerige topeltheliksi (topoisomeraas I) või kahe topeltheliksiga (topoisomeraas II) kiudude keerdumise seisundit, et lõpuks lõpptulemusena siduda või ligeerida..

Topoisomeraasid ja rakutsükkel

Kuigi topoisomeraas I on ensüüm, mis omab S-faasi ajal suuremat aktiivsust (DNA süntees), ei peeta seda sõltuvaks rakutsükli faasist.

Kuigi topoisomeraasi II aktiivsus on rakukasvu logaritmilises faasis ja kiiresti kasvavate kasvajate rakkudes aktiivsem,.

Funktsioonid

Topoisomeraase kodeerivate geenide muutmine on rakkudele surmav, mis näitab nende ensüümide tähtsust. Protsesside hulgas, milles topoisomeraasid osalevad, on:

Geneetilise materjali kompaktne ladustamine

Topoisomeraasid hõlbustavad geneetilise informatsiooni ladustamist kompaktselt, kuna nad genereerivad DNA coiling ja supercoilingi, võimaldades suhteliselt väikese mahuga informatsiooni leida..

Juurdepääs geneetilisele teabele

Topoisomeraaside ja nende unikaalsete omaduste puudumisel ei oleks võimalik DNA-sse salvestatud informatsiooni juurde pääseda. Seda seetõttu, et topoisomeraasid vabastavad perioodiliselt pingeid, keerates seda DNA topeltteliksis, selle lahtivõtmise ajal, replikatsiooni, transkriptsiooni ja rekombinatsiooni protsessides..

Kui nende protsesside käigus tekkinud väändumisest tingitud pinget ei vabastata, võib see tekitada puuduliku geeniekspressiooni, ümmarguse DNA või kromosoomi katkemise, isegi tekitades rakusurma.

Geeniekspressiooni reguleerimine

DNA molekuli konformatsioonilised muutused (kolmemõõtmelises struktuuris) avaldavad spetsiifilisi piirkondi väljaspool, mis võivad interakteeruda DNA-siduvate valkudega. Neil valkudel on geeniekspressiooni regulatiivne funktsioon (positiivne või negatiivne).

Seega mõjutab topoisomeraaside toimel genereeritud DNA mähise seisund geeniekspressiooni reguleerimist.

Topoisomeraasi II iseärasused

Topoisomeraas II on vajalik kromatiidide kogumiseks, kromosoomide kondenseerimiseks ja kondenseerimiseks ning tütar-DNA molekulide eraldamiseks mitoosi ajal..

See ensüüm on ka struktuurne valk ja raku tuuma maatriksi üks põhikomponente interfaasi ajal..

Topoisomeraaside tüübid

Topoisomeraaside tüübid on kaks, sõltuvalt sellest, kas nad suudavad lõhustada ühte või kahte DNA ahelat.

-I tüüpi topoisomeraasid

Monomer                 

I tüüpi topoisomeraasid on monomeerid, mis leevendavad negatiivseid ja positiivseid supersoone, mida tekitavad kahvli liikumine transkriptsiooni ajal ning replikatsiooni ja geeni rekombinatsiooni protsesside ajal..

I tüüpi topoisomeraase saab jagada tüüp 1A ja tüüp 1B. Viimased on need, mis leiduvad inimestel ja kes vastutavad superserveeritud DNA lõdvestamise eest.

Türosiin oma aktiivses kohas

Topoisomeraas 1B (Top1B) koosneb 765 aminohappest, mis on jagatud nelja spetsiifilisse domeeni. Ühel neist domeenidest on väga konserveerunud ala, mis sisaldab türosiiniga aktiivset kohta (Tyr7233). Kõik topoisomeraasid, mis esinevad nende aktiivses kohas, on türosiin, millel on põhiline roll kogu katalüütilises protsessis.

Toimemehhanism

Aktiivse saidi türosiin moodustab kovalentse sideme DNA ahela 3'-fosfaadi otsaga, lõigates selle ära ja hoides seda ensüümi külge, samal ajal läbides ekstraheerimise kaudu teise DNA ahela..

Teise DNA ahela läbimine läbi lõigatud ahela saavutatakse tänu ensüümi konformatsioonilisele transformatsioonile, mis tekitab DNA topeltheliiksi avanemise..

Siis pöördub topoisomeraas I tagasi oma algse konformatsioonini ja seondub jälle eemaldatud otstega. See toimub DNA ahela katkestamise protsessi teel ensüümi katalüütilises kohas. Lõpuks vabastab topoisomeraas DNA ahela.

DNA ligeerimise kiirus on kõrgem kui ekstsisioonikiirus, mis tagab molekuli stabiilsuse ja genoomi terviklikkuse.

Kokkuvõttes katalüüsib I tüüpi topoisomeraas:

  1. Lingi ekstsisioon.
  2. Teise haru läbimine jagamise kaudu.
  3. Lõhestatud otsade ligeerimine.

-II tüüpi topoisomeraasid

Diméricas

II tüüpi topoisomeraasid on dimeersed ensüümid, mis lõhustavad mõlemaid DNA ahelaid, leevendades seega transkriptsiooni ja teiste rakuliste protsesside käigus tekkinud supersoolasid..

Mg sõltuvad++ ja ATP

Need ensüümid vajavad magneesiumi (Mg++) ja vajab ka energiat, mis tuleneb ATP trifosfaadi lingi lagunemisest, mida nad kasutavad tänu ATP-le.

Kaks aktiivset kohta türosiiniga

Inimese topoisomeraasid II on väga sarnased pärmi omadele (Saccharomyces cerevisiae), mis koosneb kahest monomeerist (alamfragmendid A ja B). Igal monomeeril on ATPaasi domeen ja alafragmendis türosiini aktiivne koht 782, millele DNA võib seonduda. Seetõttu võib topoisomeraas II-ga ühendada kaks DNA ahelat.

Toimemehhanism

Topoisomeraasi II toimemehhanism on sama mis topoisomeraas I puhul kirjeldatud, arvestades, et kaks DNA ahelat lõhustatakse ja mitte ainult üks.

Topoisomeraasi II aktiivses kohas stabiliseeritakse valgu fragment (kovalentse sidumise kaudu türosiiniga). kahekordne spiraal DNA, mida nimetatakse "fragmendiks G". See fragment lõhustatakse ja hoitakse kovalentsete sidemetega seotud aktiivse saidiga.

Seejärel võimaldab ensüüm DNA fragmenti, mida nimetatakse "T-fragmendiks", läbida fragmenti "G", mis on lõhustatud tänu ensüümi konformatsioonilisele muutusele, mis sõltub ATP hüdrolüüsist..

Topoisomeraas II seob "fragmendi G" kaks otsa ja taastab lõpuks oma algseisundi, vabastades fragmendi "G". Seejärel lõdvestab DNA väändepinget, võimaldades replikatsiooni ja transkriptsiooni tekkimist.

-Inimese topoisomeraasid

Inimese genoomil on viis topoisomeraasi: top1, top3α, top3β (I tüüpi); ja top2α, top2β (tüüp II). Kõige olulisemad inimese topoisomeraasid on top1 (topoisomeraasi tüüp IB) ja 2α (topoisomeraasi tüüp II)..

Topoisomeraasi inhibiitorid

-Topoisomeraasid kui keemilise rünnaku sihtmärk

Kuna topoisomeraaside poolt katalüüsitud protsessid on rakkude ellujäämiseks vajalikud, on need ensüümid rünnaku head sihtmärgid, mis mõjutavad pahaloomulisi rakke. Selleks peetakse topoisomeraase paljude inimeste haiguste ravis oluliseks.

Topoisomeraasidega interakteeruvaid ravimeid uuritakse praegu kui kemoterapeutilisi aineid vähirakkude (keha eri organites) ja patogeensete mikroorganismide vastu..

-Inhibitsiooni tüübid

Topoisomeraasi aktiivsuse inhibeerivad ravimid võivad:

  • Võtke DNA.
  • Mõjutavad topoisomeraasi ensüümi.
  • Liigutage molekulile ensüümi aktiivse saidi lähedal, samal ajal kui DNA-topoisomeraasi kompleks on stabiliseerunud.

Transientse kompleksi stabiliseerimine, mis moodustub DNA seondumisest ensüümi katalüütilise koha türosiiniga, takistab lõigatud fragmentide liitumist, mis võib viia rakusurma..

-Topoisomeraaside inhibiitorid

Topoisomeraase inhibeerivate ühendite hulgas on järgmised.

Kasvajavastased antibiootikumid

Antibiootikume kasutatakse vähi vastu, kuna need takistavad kasvajarakkude kasvu, tavaliselt nende DNA-d häirides. Neid nimetatakse sageli antineoplastilisteks antibiootikumideks (vähi vastu). Näiteks aktinomütsiin D mõjutab topoisomeraasi II ja seda kasutatakse Wilms'i kasvajates lastel ja rabdomüosaroomides..

Antratsükliinid

Antratsükliinid on antibiootikumide hulgas kõige tõhusamad vähivastased ravimid ja kõige laiem spektr. Neid kasutatakse kopsuvähi, munasarjade, emaka, mao, põie, rinna, leukeemia ja lümfoomide ravis. On teada, et see mõjutab topoisomeraasi II DNA-ga interkalatsiooni teel.

Esimene antratsükliin eraldati aktinobakteritest (Streptomyces peucetius) oli daunorubitsiin. Seejärel sünteesiti doksorubitsiin laboris ja nüüd kasutatakse ka epirubitsiini ja idarubitsiini..

Antrakinoonid

Antrakinoonid või antratseenionid on antratseenist tuletatud ühendid, mis on sarnased antratsükliinidega, mis mõjutavad topoisomeraasi II aktiivsust DNA interkalatsiooni teel. Neid kasutatakse metastaatilise rinnavähi, mitte-Hodgkini lümfoomi ja leukeemia korral.

Need ravimid leiti mõnede putukate, taimede (frángula, senna, rabarber), samblike ja seente pigmentides; samuti hoelita, mis on looduslik mineraal. Sõltuvalt nende annusest võivad nad olla kantserogeensed.

Nende ühendite hulgas on mitoksantron ja selle analoog losoksantron. Need takistavad pahaloomuliste kasvajarakkude proliferatsiooni, seondudes pöördumatult DNA-ga.

Epidofilotoksiinid

Podofüllotoksiinid, nagu epidofilotoksiinid (VP-16) ja teniposiid (VM-26), moodustavad topoisomeraas II kompleksi. Neid kasutatakse muu hulgas kopsude, munandite, leukeemia, lümfoomide, munasarjavähi, rinnakartsinoomi ja pahaloomuliste intrakraniaalsete kasvajate vastu. Need on taimedest eraldatud Podophyllum notatum ja P. peltatum.

Kamptotetsiini analoogid

Kampotetsiinid on ühendid, mis inhibeerivad topoisomeraasi I ja nende hulgas on irinotekaan, topotekaan ja diflomotekaan..

Neid ühendeid on kasutatud käärsoole, kopsu ja rinna vähi vastu ning need saadakse looduslikult metsiku liigi koorest ja lehtedest. Camptotheca acuminata Hiina virsikute ja Tiibeti kohta.

Looduslik pärssimine

Topoisomeraaside I ja II struktuursed muutused võivad esineda ka täiesti loomulikult. See võib juhtuda teatud sündmuste ajal, mis mõjutavad selle katalüütilist protsessi.

Nende muudatuste hulgas võib mainida pürimidiini dimeeride moodustumist, lämmastiku aluste ja muude oksüdatiivse stressi põhjustatud sündmuste mittevastavust.

Viited

  1. Anderson, H., & Roberge, M. (1992). DNA topoisomeraas II: ülevaade selle osalemisest kromosoomistruktuuris, DNA replikatsioonis, transkriptsioonis ja mitoosis. Cell Biology International Reports, 16 (8), 717-724. doi: 10.1016 / s0309-1651 (05) 80016-5
  2. Chhatriwala, H., Jafri, N. ja Salgia, R. (2006). Ülevaade topoisomeraasi inhibeerimisest kopsuvähki. Cancer Biology & Therapy, 5 (12): 1600-1607. doi: 10,4161 / cbt.5.12.3546
  3. Ho, Y.-P., Au-Yeung, S.C. F., ja To, K. K. W. (2003). Platinapõhised vähivastased ained: uuenduslikud disainistrateegiad ja bioloogilised perspektiivid. Medicinal Research Reviews, 23 (5), 633-655. doi: 10.1002 / med.10038
  4. Li, T.-K., & Liu, L. F. (2001). Topoisomeraasi sihtivate ravimite poolt indutseeritud tuumorirakkude surm. Farmakoloogia ja toksikoloogia iga-aastane ülevaade, 41 (1): 53-77. doi: 10.1146 / annurev.pharmtox.41.1.53
  5. Liu, L. F. (1994). DNA topoisomeraasid: Topoisomeraasi sihtivad ravimid. Academic Press. lk 307
  6. Osheroff, N. ja Bjornsti, M. (2001). DNA topoisomeraas. Enümümoloogia ja ravimid. Vol. II. Humana Press. lk 329.
  7. Rothenberg, M. L. (1997). Topoisomeraasi I inhibiitorid: vaadake läbi ja uuendage. Annals of Oncology, 8 (9), 837-855. doi: 10,1023 / a: 1008270717294
  8. Ryan B. (2009, 14. detsember). Topoisomeraas 1 ja 2. [Videofail]. Välja otsitud saidilt youtube.com