Topoizomerázok jellemzői, funkciói, típusai és inhibitorai

az topoizomerázai olyan típusú izomeráz enzimek, amelyek módosítják a dezoxiribonukleinsav (DNS) topológiáját, és mindkettő kanyarodása és szuperkeményedése következtében egyaránt létrejön..

Ezek az enzimek specifikus szerepet játszanak a torziós stressz enyhítésében a DNS-ben úgy, hogy olyan fontos folyamatok, mint a replikáció, a DNS transzkripciója a messenger ribonukleinsavban (mRNS) és a DNS rekombinációja léphetnek fel..

Mind az eukarióta, mind a prokarióta sejtekben topoizomeráz enzimek vannak jelen. A tudósok Watson és Crick megjósolták annak létezését, amikor értékelték azokat a korlátokat, amelyeket a DNS-struktúra bemutatott annak érdekében, hogy hozzáférjen az információihoz (a nukleotid szekvenciájában tárolva).

Ahhoz, hogy megértsük a topoizomerázok funkcióit, figyelembe kell venni, hogy a DNS-nek kettős hélix stabil szerkezete van, és a láncok egy másikra hengereltek..

Ezeket a lineáris láncokat az 5'-3 'foszfodiészter kötésekkel összekötött 2-dezoxiribóz és a belső nitrogénbázisok alkotják, mint a spirális lépcsőfokok..

A DNS-molekulák topológiai vizsgálata azt mutatta, hogy több konformációt tudnak vállalni a torziós feszültségüktől függően: nyugodt állapottól a különböző tekercsállapotokig, amelyek lehetővé teszik azok tömörítését..

A különböző konformációjú DNS-molekulákat topoizomereknek nevezik. Így arra a következtetésre juthatunk, hogy az I és II topoizomerázok megnövelhetik vagy csökkenthetik a DNS-molekulák torziós feszültségét, ami a különböző topoizomereket képezi..

A lehetséges DNS topoizomerek közül a leggyakoribb konformáció a szuperkenés, ami nagyon kompakt. A DNS kettős hélixét azonban több molekuláris folyamat során a topoizomerázokkal is le kell kötni.

index

• 1 Jellemzők
  • 1.1 Az általános fellépés mechanizmusa
  • 1.2. Topoizomerázok és sejtciklus
• 2 Funkciók
  • 2.1 A genetikai anyag kompakt tárolása
  • 2.2 A genetikai információkhoz való hozzáférés
  • 2.3 A génexpresszió szabályozása
  • 2.4. A topoizomeráz II sajátosságai
• 3 A topoizomerázok típusa
  • 3.1-I típusú topoizomerázok
  • 3.2-II. Típusú Topoizomerázok
  • 3.3 - Humán topoizomerázok
• 4 Topoizomeráz inhibitorok
  • 4.1-Topoizomerázok, mint a kémiai támadás célpontja
  • 4.2. A gátlás típusai
  • 4.3 - Topoizomeráz inhibitorok
• 5 Referenciák

jellemzői

Az általános fellépés mechanizmusa

Egyes topoizomerázok csak negatív DNS-szuperkórt, vagy mindkét DNS-szuperkeményítőt nyújthatnak: pozitív és negatív.

Ha a körkörös kettősszálú DNS-t a hossztengelyén lecsapjuk, és balkezes fordulat fordul elő (az óramutató járásával megegyező irányban), azt állítják, hogy negatívan szuperkönnyű. Ha a fordulat az óramutató járásával megegyező irányban (óramutató járásával ellentétes irányban), akkor pozitívan szuper tekercselt.

Alapvetően a topoizomerázok:

-A DNS-szál áthaladásának elősegítése az ellentétes szálon belüli vágással (I típusú topoizomeráz).

-A teljes kettős spirál áthaladásának megkönnyítése önmagában, vagy egy másik kettős hélixben (II. Típusú topoizomeráz) történő megosztása révén.

Összefoglalva, a topoizomerázok a foszfodiészter kötések hasadásán keresztül hatnak egy vagy mindkét szálban, amelyek a DNS-t alkotják. Ezután módosítsa a dupla hélix (topoizomeráz I) szálak vagy két kettős hélix (topoizomeráz II) tekercselésének állapotát, hogy végül visszatérjen a kivágott végekhez vagy kötődjenek hozzá.

Topoizomerázok és sejtciklus

Bár az I-es topoizomeráz olyan enzim, amely nagyobb aktivitást mutat az S-fázisban (DNS-szintézis), nem tekinthető függőnek a sejtciklus fázisától.

Míg a topoizomeráz II aktivitás a sejtnövekedés logaritmikus fázisában és a gyorsan növekvő tumorok sejtjeiben aktívabb,.

funkciók

A topoizomerázokat kódoló gének megváltoztatása halálos a sejtek számára, ami bizonyítja ezeknek az enzimeknek a fontosságát. Azok a folyamatok, amelyekben a topoizomerázok részt vesznek, a következők:

A genetikai anyagok kompakt tárolása

A topoizomerázok megkönnyítik a genetikai információ tárolását kompakt módon, mivel DNS-tekercselést és szuperköntést hoznak létre, ami lehetővé teszi, hogy viszonylag kis mennyiségű információt találjanak viszonylag kis mennyiségben..

Hozzáférés a genetikai információkhoz

Ha nincsenek topoizomerázok és egyedi tulajdonságaik, lehetetlen lenne hozzáférni a DNS-ben tárolt információhoz. Ez azért van így, mert a topoizomerázok a DNS kettős hélixében keletkező feszültséget periodikusan felszabadítják a replikáció, a transzkripció és a rekombináció folyamata során..

Ha az ezen folyamatok során keletkezett torziós torzítás nem szabadul fel, akkor hibás génexpressziót, a körkörös DNS vagy kromoszóma megszakítását eredményezheti, még sejtpusztulást is okozhat..

A génexpresszió szabályozása

A DNS-molekula konformációs változásai (a háromdimenziós struktúrában) külső régiókat mutatnak, amelyek kölcsönhatásba léphetnek a DNS-kötő fehérjékkel. Ezek a fehérjék a génexpresszió szabályozási funkciójával rendelkeznek (pozitív vagy negatív).

Így a topoizomerázok hatásával létrehozott DNS-tekercselés állapota befolyásolja a génexpresszió szabályozását.

A topoizomeráz II sajátosságai

A topoizomeráz II a kromatidok összeszereléséhez, a kromoszómák kondenzációjához és dekondenzációjához és a lányok DNS-molekuláinak szegregációjához szükséges a mitózis során..

Ez az enzim egy strukturális fehérje és a sejtmag mátrixának egyik fő összetevője az interfázis során..

A topoizomerázok típusa

Két fő fajtája van a topoizomerázoknak, attól függően, hogy képesek-e egy vagy két DNS-szálat hasítani.

-I. típusú topoizomerázok

monomer                 

Az I. típusú topoizomerázok olyan monomerek, amelyek enyhítik a negatív és pozitív szuperkristályokat, amelyeket a villát a transzkripció során mozgatnak, és a replikáció és a gén rekombináció folyamata során..

Az I. típusú topoizomerázok 1A és 1B típusúak lehetnek. Az utóbbiak az emberekben találhatók, és felelősek a szuperkevert DNS pihenéséért.

Tirozin aktív helyén

Az 1B topoizomeráz (Top1B) 765 aminosavból áll, amelyek 4 specifikus domént tartalmaznak. Ezeknek a doméneknek az egyikének van egy erősen konzervált területe, amely a tirozinnal (Tyr7233) rendelkező aktív helyet tartalmazza. Valamennyi topoizomeráz, amely aktív helyükön van, egy tirozin, amely alapvető szerepet játszik a teljes katalitikus eljárásban.

Működési mechanizmus

Az aktív helyről származó tirozin kovalens kötést képez a DNS-szál 3'-foszfáttal, levágja és az enzimhez kötődik, miközben egy másik DNS-szálat vezet a kivágáson keresztül..

A DNS másik szálának a kivágott szálon keresztüli áthaladását az enzim konformációs transzformációjának köszönhetően érjük el, amely a DNS kettős hélix megnyitását eredményezi..

Ezután a topoizomeráz visszatér a kezdeti konformációjához, és ismét kötődik a kivágott végekhez. Ez az enzim katalitikus helyén a DNS-lánc törése felé fordított eljárással fordul elő. Végül a topoizomeráz felszabadítja a DNS-szálat.

A DNS-ligációs sebesség magasabb, mint a kivágási sebesség, amely biztosítja a molekula stabilitását és a genom integritását.

Összefoglalva, az I típusú topoizomeráz katalizálja:

1. Egy szál kivágása.
2. A másik szál áthaladása az osztáson keresztül.
3. Az osztott végek ligálása.

-II. Típusú topoizomerázok

dimer

A II. Típusú topoizomerázok dimer enzimek, amelyek a DNS mindkét szálát hasítják, ezáltal lazítja a transzkripció és más sejtfolyamatok során keletkező szuperkristályokat..

Mg függő⁺⁺ és ATP

Ezeknek az enzimeknek magnéziumra van szükségük (Mg⁺⁺), valamint az ATP-trifoszfát összeköttetés lebontásából származó energiára is szükségük van, amelyet az ATPase-nek köszönhetően kihasználnak.

Két aktív hely a tirozinnal

A humán topoizomerázok II nagyon hasonlítanak az élesztőéihez (Saccharomyces cerevisiae), amely két monomerből áll (A és B alfragmens). Mindegyik monomer rendelkezik egy ATPáz doménnel, és egy alfragmentumban a 782 tirozin aktív helyet, amelyhez a DNS kötődik. Ezért a topoizomeráz II-hez két DNS-szálat lehet összekapcsolni.

Működési mechanizmus

A topoizomeráz II hatásmechanizmusa megegyezik az I-es topoizomeráz esetében leírtakkal, mivel két DNS-láncot hasítanak, és nem csak egy.

A II-es topoizomeráz aktív helyén a fehérje egy fragmense stabilizálódik (kovalens kötéssel tirozinnal). kettős spirál DNS-nek nevezzük. Ezt a fragmenst hasítjuk és kovalens kötésekkel az aktív helyhez kötjük.

Ezután az enzim lehetővé teszi, hogy a DNS egy másik fragmense, az úgynevezett "T-fragmens", átjuthasson a "G" fragmentumon, amely az enzim konformációs változásának köszönhető, ami az ATP hidrolízisétől függ..

A topoizomeráz II kötődik a "G" fragmens két végéhez, és végül helyreállítja a kezdeti állapotát, felszabadítva a "G" fragmentumot. Ezután a DNS ellazítja a torziós feszültséget, lehetővé téve a replikációs és transzkripciós folyamatok előfordulását.

-Humán topoizomerázok

A humán genomnak öt topoizomerázja van: top1, top3α, top3β (I. típusú); és top2α, top2β (II. típus). A legfontosabb humán topoizomerázok a top1 (IB-típusú topoizomeráz) és a 2α (II-es típusú topoizomeráz)..

Topoizomeráz inhibitorok

-Topoizomerázok, mint a kémiai támadás célpontja

Mivel a topoizomerázok által katalizált folyamatok szükségesek a sejtek túléléséhez, ezek az enzimek a rosszindulatú sejteket befolyásoló támadás jó célpontjai. Ehhez a topoizomerázok fontos szerepet játszanak számos emberi betegség kezelésében.

A topoizomerázokkal kölcsönhatásba lépő gyógyszereket jelenleg széles körben vizsgálják kemoterápiás anyagként a rákos sejtek (a test különböző szervei) és a patogén mikroorganizmusok ellen..

-A gátlás típusai

A topoizomeráz aktivitást gátló gyógyszerek:

• Bevitel a DNS-be.
• Befolyásolja a topoizomeráz enzimet.
• A DNS-topoizomeráz-komplex stabilizálódása közben az enzim aktív helyének közelében lévő molekulákba szétterül.

A tranziens komplex stabilizálása, amelyet a DNS az enzim katalitikus helyének tirozinjához kötődik, megakadályozza a kivágott fragmensek egyesülését, ami sejtpusztulást eredményezhet..

-A topoizomerázok inhibitorai

A topoizomerázokat gátló vegyületek közül az alábbiak szerepelnek.

Tumorellenes antibiotikumok

Antibiotikumokat használnak a rák ellen, mivel megakadályozzák a tumorsejtek növekedését, általában a DNS-ből való interferenciával. Gyakran nevezik antineoplasztikus antibiotikumoknak (rák ellen). Az aktinomicin D például a II-es topoizomerázt befolyásolja, és Wilms-tumorokban gyermekekben és rabdomyosarcomákban alkalmazzák..

antraciklinek

Az antraciklinek az antibiotikumok közül a leghatékonyabb rákellenes szerek és a legszélesebb spektrum. A tüdőrák, a petefészek, a méh, a gyomor, a húgyhólyag, a mell, a leukémia és a limfómák kezelésére alkalmazzák. Ismert, hogy a topoizomeráz II-t DNS-ben történő interkalációval befolyásolja.

Az aktinobaktériumokból izolált első antraciklin (Streptomyces peucetius) a daunorubicin volt. Ezután a laboratóriumban szintetizálták a doxorubicint, és az epirubicint és az idarubicint is alkalmazzák..

antrakinon

Az antrakinonok vagy antracénionok az antracénből származó vegyületek, hasonlóan az antraciklinekhez, amelyek befolyásolják a topoizomeráz II aktivitását DNS-ben történő interkalációval. Ezeket metasztatikus emlőrák, nem-Hodgkin limfóma (NHL) és leukémia kezelésére használják.

Ezeket a gyógyszereket néhány rovar, növény (frángula, senna, rabarber), zuzmó és gomba pigmentjeiben találták meg; valamint a hoelitában, amely természetes ásványi anyag. Az adagtól függően rákkeltő lehet.

Ezen vegyületek közül mitoxantron és analóg losoxantron van. Ezek megakadályozzák a rosszindulatú tumorsejtek proliferációját, és visszafordíthatatlanul kötődnek a DNS-hez.

epipodophyllotoxinok

A Podofillotoxinok, mint például az epidofilotoxinok (VP-16) és a tenipozid (VM-26) komplexet képeznek a topoizomeráz II-vel. Ezeket a tüdő, herék, leukémia, limfómák, petefészekrák, mellkarcinóma és rosszindulatú intracranialis tumorok ellen használják. Ezeket a növényektől izoláljuk Podophyllum notatum és P. peltatum.

Kamptotecinek analógjai

A kampotecinek olyan vegyületek, amelyek gátolják az I-es topoizomerázt, és közöttük az irinotekán, a topotekán és a diflomotecán..

Ezeket a vegyületeket a vastagbél, a tüdő és a mell rákos megbetegedései ellen használják, és természetesen az arborealis fajok kéregéből és leveleiből nyerik. Camptotheca acuminata kínai őszibarack és Tibet.

Természetes gátlás

Az I és II topoizomerázok szerkezeti átalakulása szintén teljesen természetes. Ez történhet néhány olyan eseményen, amely befolyásolja a katalitikus folyamatot.

Ezek közül a változások közül említhetjük a pirimidin-dimerek képződését, a nitrogénbázisok és az oxidatív stressz által okozott egyéb események eltérését..

referenciák

1. Anderson, H. és Roberge, M. (1992). DNS topoizomeráz II: A kromoszóma szerkezetében, a DNS replikációjában, a transzkripcióban és a mitózisban való részvételének áttekintése. Cell Biology International Reports, 16 (8), 717-724. doi: 10.1016 / s0309-1651 (05) 80016-5
2. Chhatriwala, H., Jafri, N. és Salgia, R. (2006). A tüdőrákos topoizomeráz gátlás áttekintése. Cancer Biology & Therapy, 5 (12): 1600-1607. doi: 10,4161 / cbt.5.12.3546
3. Ho, Y.-P., Au-Yeung, S. C. F. és To K. K.W. (2003). Platina alapú rákellenes szerek: Innovatív tervezési stratégiák és biológiai perspektívák. Medicinal Research Reviews, 23 (5): 633-655. doi: 10.1002 / med.10038
4. Li, T.-K., és Liu, L. F. (2001). A topoizomeráz-célzó gyógyszerek által kiváltott tumorsejt-halál. A farmakológia és toxikológia éves áttekintése, 41 (1): 53-77. doi: 10.1146 / annurev.pharmtox.41.1.53
5. Liu, L. F. (1994). DNS-topoizomerázok: Topoizomeráz-célzó gyógyszerek. Academic Press. pp. 307
6. Osheroff, N. és Bjornsti, M. (2001). DNS topoizomeráz. Enzimológia és drogok. II. Humana Press. 329. oldal.
7. Rothenberg, M. L. (1997). Topoizomeráz I inhibitorok: Felülvizsgálat és frissítés. Annals of Oncology, 8 (9), 837-855. doi: 10,1023 / a: 1008270717294
8. Ryan B. (2009, december 14). 1. és 2. topoizomeráz. [Videofájl]. A youtube.com webhelyről származik