TOPOISOMERASER: EGENSKAPER, FUNKSJONER, TYPER OG HEMMERE - BIOLOGI - 2026

De topoisomeraser er enzymer Isomerases en form for modifisering av topologien av deoksyribonukleinsyre (DNA), generering av både dets avkobling og supercoiling som dens bøyning.

Disse enzymene har en spesifikk rolle i å lindre torsjonsstress på DNA, slik at viktige prosesser som replikering, transkripsjon av DNA til messenger ribonukleinsyre (mRNA) og rekombinasjon av DNA kan forekomme.

Figur 1. Topoisomerase II. Kilde: Emw, fra Wikimedia Commons

Topoisomerase-enzymer er til stede i både eukaryote og prokaryote celler. Dets eksistens ble spådd av forskere Watson og Crick, når de evaluerte begrensningene som strukturen av DNA presenterte for å gi tilgang til informasjonen (lagret i nukleotidsekvensen).

For å forstå funksjonene til topoisomeraser, må det vurderes at DNA har en stabil dobbelt-helix-struktur, med strengene viklet over hverandre.

Disse lineære kjedene er sammensatt av 2-deoksyribose forbundet med 5'-3 'fosfodiesterbindinger, og nitrogenholdige baser inni, som trinnene i en spiraltrapp.

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

Den topologiske studien av DNA-molekyler har vist at de kan anta forskjellige konformasjoner avhengig av torsjonsstresset: fra en avslappet tilstand til forskjellige viklingstilstander som tillater deres komprimering.

DNA-molekyler med forskjellige konformasjoner kalles topoisomerer. Dermed kan vi konkludere med at topoisomeraser I og II kan øke eller redusere torsjonsspenningen til DNA-molekyler og danne deres forskjellige topoisomerer.

Blant de mulige DNA-topoisomerer er den vanligste konformasjonen superspolen, som er veldig kompakt. Imidlertid må DNA-dobbeltspiralen også avvikles av topoisomeraser under forskjellige molekylære prosesser.

kjennetegn

Generell handlingsmekanisme

Noen topoisomeraser kan bare slappe av negative supercoils av DNA, eller begge supercoils of DNA: positive og negative.

Hvis det sirkulære dobbeltstrengede DNA avvikles på sin lange akse og en venstrehånds sving (med klokken) oppstår, sies det å være negativt superoppviklet. Hvis svingen er medurs (mot klokken), blir den positivt overbelastet.

Figur 3. Negativt supercoiled, avslappet og positivt supercoiled sirkulært dobbeltstrenget DNA. Kilde: Fdardel, fra Wikimedia Commons

I utgangspunktet kan topoisomeraser:

-Fasilitere passasjen av en DNA-streng gjennom et snitt i motsatt tråd (type I topoisomerase).

-Fasilitere passasjen til en fullstendig dobbel helix gjennom en klyving i seg selv, eller gjennom en klyving i en annen annen dobbel helix (type II topoisomerase).

Oppsummert virker topoisomeraser gjennom spaltning av fosfodiesterbindinger, i en eller begge trådene som utgjør DNA. De modifiserer deretter viklingstilstanden til strengene til en dobbel helix (topoisomerase I) eller av to doble helixer (topoisomerase II), for til slutt å binde eller binde de spaltede endene igjen.

Topoisomeraser og cellesyklusen

Selv om topoisomerase I er et enzym som utviser høyere aktivitet under S-fasen (DNA-syntese), anses den ikke å være avhengig av en fase av cellesyklusen.

Mens topoisomerase II-aktivitet er mer aktiv under den logaritmiske fasen av cellevekst og i celler fra hurtigvoksende svulster.

Egenskaper

Forandringen av genene som koder for topoisomeraser er dødelige for celler, noe som viser viktigheten av disse enzymene. Blant prosessene som topoisomeraser deltar, er:

Kompakt lagring av genetisk materiale

Topoisomeraser letter lagring av genetisk informasjon på en kompakt måte, fordi de genererer oppviklingen og supercoiling av DNA, slik at en stor mengde informasjon kan bli funnet i et relativt lite volum.

Tilgang til genetisk informasjon

Uten topoisomeraser og deres unike egenskaper, ville tilgang til informasjon som er lagret i DNA være umulig. Dette skyldes det faktum at topoisomeraser med jevne mellomrom frigjør torsjonsspenningen som genereres i DNA-dobbelt helix under dens avvikling, i prosessene for replikasjon, transkripsjon og rekombinasjon.

Figur 4. DNA-replikasjon. Se topoisomerase i begynnelsen av DNA hårnålen. Kilde: LadyofHats oversatt av Miguelsierra, via Wikimedia Commons

Hvis torsjonsspenningen som genereres under disse prosessene ikke frigjøres, kan defekt genuttrykk oppstå, avbrytelse av sirkulært DNA eller kromosom, til og med produsere celledød.

Regulering av genuttrykk

Konformasjonsendringer (i den tredimensjonale strukturen) av DNA-molekylet utsetter spesifikke regioner for utsiden, som kan samhandle med DNA-bindende proteiner. Disse proteinene har en regulerende funksjon av genuttrykk (positiv eller negativ).

Figur 5. Regulerende protein for genuttrykk, i dette tilfellet forhindrer det uttrykk av visse gener. Zephyris på den engelskspråklige Wikipedia

Således påvirker spiraltilstanden av DNA, generert ved virkning av topoisomeraser, reguleringen av genuttrykk.

Spesialiteter ved topoisomerase II

Topoisomerase II er nødvendig for montering av kromatider, kondensering og dekondensasjon av kromosomer og segregering av datter-DNA-molekyler under mitose.

Dette enzymet er også et strukturelt protein og en av hovedbestanddelene i cellekjernematrisen under interfase.

Typer topoisomeraser

Det er to hovedtyper av topoisomeraser avhengig av om de klarer å spalte en eller to DNA-tråder.

-Topoisomeraser type I

monomerisk

Topoisomeraser av type I er monomerer som lindrer negative og positive supercoils, som produseres ved hårnålbevegelse under transkripsjon, og under replikasjon og genrekombinasjonsprosesser.

Topoisomeraser av type I kan deles inn i type 1A og type 1B. De sistnevnte er de som finnes hos mennesker, og de er ansvarlige for avslappende superoppviklet DNA.

Tyrosine på det aktive nettstedet

Topoisomerase 1B (Top1B) består av 765 aminosyrer fordelt på 4 spesifikke domener. Et av disse domenene har et sterkt konservert område som inneholder det tyrosinaktive stedet (Tyr7233). Alle topoisomeraser presenterer et tyrosin på deres aktive sted med en grunnleggende rolle i hele den katalytiske prosessen.

Virkningsmekanismen

Det aktive setet tyrosin danner en kovalent binding med 3'-fosfatenden av DNA-strengen, kutter den og holder den festet til enzymet, mens en annen DNA-streng passerer gjennom spaltingen.

Passasjen til den andre DNA-tråden gjennom den delte tråden oppnås takket være en konformasjonell transformasjon av enzymet, som produserer åpningen av DNA-dobbelt helix.

Så vender topoisomerase I tilbake til sin opprinnelige konformasjon og binder de spaltede endene igjen. Dette skjer ved en prosess invers for nedbrytning av DNA-kjeden, på det katalytiske stedet for enzymet. Til slutt frigjør topoisomerase DNA-strengen.

DNA-ligeringshastigheten er høyere enn eksisjonshastigheten, og sikrer derved molekylets stabilitet og genomets integritet.

Sammendrag katalyserer type I topoisomerase:

1. Klyving av en strand.
2. Passasjen til den andre tråden gjennom klyvingen.
3. Ligering av de spaltede endene.

-Type II topoisomeraser

dimer

Topoisomeraser av type II er dimere enzymer, som spalter begge DNA-strengene, og dermed slapper av superspolene som genereres under transkripsjon og andre cellulære prosesser.

Mg avhengig

Disse enzymene trenger magnesium (Mg ⁺⁺ ) og trenger også energien som kommer fra å bryte ATP-trifosfatbindingen, som de drar nytte av takket være en ATPase.

To aktive steder med tyrosin

Humane topoisomeraser II ligner veldig på gjær (Saccharomyces cerevisiae), som består av to monomerer (underfragmentene A og B). Hver monomer har et ATPase-domene, og i et underfragment det aktive setet tyrosin 782, som DNA kan binde seg til. Dermed kan to DNA-tråder binde seg til topoisomerase II.

Virkningsmekanismen

Virkemekanismen til topoisomerase II er den samme som beskrevet for topoisomerase I, tatt i betraktning at to DNA-tråder er delt og ikke bare en.

På det aktive setet for topoisomerase II er et dobbelt-helix-fragment av DNA, kalt "fragment G", stabilisert (gjennom kovalent binding med tyrosin). Dette fragmentet blir skåret ut og holdt sammen til det aktive setet ved kovalente bindinger.

Enzymet lar deretter et annet DNA-fragment, kalt "T-fragmentet", passere gjennom det spaltede fragmentet "G", takket være en konformasjonsendring av enzymet, som er avhengig av hydrolysen av ATP.

Topoisomerase II binder de to endene av "G-fragmentet" og gjenvinner til slutt sin opprinnelige tilstand, og frigjør "G" -fragmentet. DNAet slapper deretter av torsjonsstresset, og lar replikasjon og transkripsjon oppstå.

-Menneskelige topoisomeraser

Det humane genom har fem topoisomeraser: top1, top3α, top3β (type I); og top2a, top2β (av type II). De mest relevante humane topoisomeraser er top1 (type IB topoisomerase) og 2α (type II topoisomerase).

Topoisomerase-hemmere

-Topoisomeraser som et mål for kjemisk angrep

Siden prosessene katalysert av topoisomeraser er nødvendige for overlevelse av celler, er disse enzymene et godt angrepsmål for å påvirke ondartede celler. Av denne grunn anses topoisomeraser som viktige i behandlingen av mange menneskelige sykdommer.

Legemidler som interagerer med topoisomeraser er for tiden studert som kjemoterapeutiske stoffer mot kreftceller (i forskjellige organer i kroppen) og patogene mikroorganismer.

-Hemmertyper

Legemidler som hemmer topoisomerase-aktivitet kan:

• Sandwiched i DNA.
• Påvirke enzymet topoisomerase.
• Interkalater i et molekyl nær det aktive setet til enzymet mens DNA-topoisomerase-komplekset er stabilisert.

Stabilisering av det forbigående kompleks som dannes ved binding av DNA til tyrosinet i enzyms katalytiske sted, forhindrer binding av spaltede fragmenter, noe som kan føre til celledød.

-Topoisomerasehemmende medisiner

Blant forbindelsene som hemmer topoisomeraser er følgende.

Antitumor antibiotika

Antibiotika brukes mot kreft, siden de forhindrer vekst av tumorceller, vanligvis forstyrrer deres DNA. Disse kalles ofte antineoplastiske (kreft) antibiotika. Actinomycin D påvirker for eksempel topoisomerase II og brukes i Wilms svulster hos barn og rhabdomyosarkomer.

antracykliner

Antracykliner er blant antibiotika, et av de mest effektive kreftmedisinene og med det bredeste spekteret. De brukes til å behandle kreft i lungene, eggstokkene, livmoren, mage, blære, bryst, leukemi og lymfomer. Det er kjent å påvirke topoisomerase II ved interkalkering i DNA.

Den første antracyklinen isolert fra en actinobacteria (Streptomyces peucetius) var daunorubicin. Deretter ble doxorubicin syntetisert på laboratoriet, og epirubicin og idarubicin brukes også i dag.

anthraquinones

Antrakinoner eller antracenedioner er forbindelser avledet fra antracen, som ligner antracykliner, som påvirker topoisomerase II-aktivitet ved interkalkering i DNA. De brukes mot metastatisk brystkreft, ikke-Hodgkins lymfom (NHL) og leukemi.

Disse stoffene ble funnet i pigmentene til noen insekter, planter (frangula, senna, rabarbra), lav og sopp; så vel som i hoelitt, som er et naturlig mineral. Avhengig av dosen din, kan de være kreftfremkallende.

Blant disse forbindelsene har vi mitoksantron og dets analoge, losoksantron. Disse forhindrer spredning av ondartede tumorceller, og bindes til DNA irreversibelt.

Epidophyllotoxins

Podofyllotoksiner, slik som epidofyllotoksiner (VP-16) og teniposid (VM-26), danner et kompleks med topoisomerase II. De brukes mot lungekreft, testikkel, leukemi, lymfomer, eggstokkreft, brystkarsinom og ondartede intrakranielle svulster, blant andre. Podophyllum notatum og P. peltatum er isolert fra planter.

Camptothecin-analoger

Kampoteciner er forbindelser som hemmer topoisomerase I, inkludert irinotekan, topotekan og diflomotekan.

Disse forbindelsene er blitt brukt mot kreft i tykktarmen, lunge og bryst, og er oppnådd naturlig fra barken og bladene til den arboreale arten Camptotheca acuminata fra de kinesiske og tibetiske corneaceas.

Naturlig hemming

Strukturelle endringer av topoisomeraser I og II kan også forekomme helt naturlig. Dette kan skje under noen hendelser som påvirker din katalytiske prosess.

Disse endringene inkluderer dannelse av pyrimidindimerer, nitrogenbasis-uoverensstemmelser og andre hendelser forårsaket av oksidativt stress.

referanser

1. Anderson, H., & Roberge, M. (1992). DNA topoisomerase II: En gjennomgang av dens involvering i kromosomstruktur, DNA-replikasjon, transkripsjon og mitose. 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 gjennomgang av topoisomerase-hemming i lungekreft. Cancer Biology & Therapy, 5 (12): 1600–1607. doi: 10.4161 / cbt.5.12.3546
3. Ho, Y.-P., Au-Yeung, SCF, & To, KKW (2003). Platinabaserte kreftdrepende midler: Innovative designstrategier og biologiske perspektiver. Medisinske forskningsanmeldelser, 23 (5): 633–655. doi: 10.1002 / med.10038
4. Li, T.-K., & Liu, LF (2001). Tumörcelledød indusert av topoisomerase-målrettende medisiner. Årlig gjennomgang av farmakologi og toksikologi, 41 (1): 53–77. doi: 10.1146 / annurev.pharmtox.41.1.53
5. Liu, LF (1994). DNA Topoisomerases: Topoisomerase-Targeting Drugs. Academic Press. s. 307
6. Osheroff, N. og Bjornsti, M. (2001). DNA Topoisomerase. Enzymologi og medikamenter. Vol. II. Humana Press. s 329.
7. Rothenberg, ML (1997). Topoisomerase I-hemmere: Gjennomgå og oppdatere. Annals of Oncology, 8 (9), 837–855. doi: 10.1023 / a: 1008270717294
8. Ryan B. (2009, 14. desember). Topoisomerase 1 og 2. Gjenopprettet fra youtube.com