Kenmerken, functies, types en remmers van topoisomerasen

de topoïsomerases zijn een soort isomerase-enzymen die de topologie van deoxyribonucleïnezuur (DNA) modificeren, waarbij zowel het afwikkelen ervan als het opwikkelen ervan en supercoiling wordt gegenereerd.

Deze enzymen spelen een specifieke rol bij het verlichten van de torsiespanning in DNA, zodat belangrijke processen zoals de replicatie ervan, de transcriptie van DNA in messenger-ribonucleïnezuur (mRNA) en de recombinatie van DNA kunnen plaatsvinden..

Topoisomerase-enzymen zijn aanwezig in zowel eukaryotische als prokaryote cellen. Het bestaan ​​ervan werd voorspeld door de wetenschappers Watson en Crick, bij het evalueren van de beperkingen die de DNA-structuur bood om toegang tot zijn informatie mogelijk te maken (opgeslagen in zijn nucleotidesequentie).

Om de functies van topoisomerasen te begrijpen, moet worden aangenomen dat het DNA een stabiele structuur van dubbele helix heeft, met zijn kettingen over elkaar heen gerold.

Deze lineaire ketens worden gevormd door 2-desoxyribose verbonden door fosfodiesterbindingen 5'-3 ', en stikstofbasen in hun binnenste, zoals de trappen van een wenteltrap.

De topologische studie van DNA-moleculen heeft aangetoond dat ze verschillende conformaties kunnen aannemen, afhankelijk van hun torsiespanning: van een ontspannen toestand tot verschillende wikkelingstoestanden die hun verdichting mogelijk maken.

DNA-moleculen met verschillende conformaties worden topoisomeren genoemd. We kunnen dus concluderen dat de topoisomerasen I en II de torsiespanning van de DNA-moleculen kunnen verhogen of verlagen door hun verschillende topoisomeren te vormen.

Van de mogelijke DNA-topoisomeren is de meest voorkomende conformatie supercoiling, wat erg compact is. De dubbele helix van DNA moet echter ook worden afgewikkeld door topoisomerasen gedurende verschillende moleculaire processen.

index

• 1 Kenmerken
  • 1.1 Mechanisme van algemene actie
  • 1.2 Topoisomerasen en celcyclus
• 2 functies
  • 2.1 Compacte opslag van genetisch materiaal
  • 2.2 Toegang tot genetische informatie
  • 2.3 Regulatie van genexpressie
  • 2.4. Kenmerken van topoisomerase II
• 3 soorten topoisomerasen
  • 3.1-Topoisomerases type I
  • 3.2-Topoisomerases type II
  • 3.3 - Menselijke topoisomerasen
• 4 Topoisomerase-remmers
  • 4.1-Topoisomerases als doelwit voor chemische aanvallen
  • 4.2-soorten remming
  • 4.3 - Topoisomerase-remmende geneesmiddelen
• 5 Referenties

features

Mechanisme van algemene actie

Sommige topoisomerasen kunnen alleen negatieve DNA-supercoils of beide DNA-supercoils ontspannen: positief en negatief.

Als het circulaire dubbelstrengs DNA op zijn lengteas wordt afgewikkeld en een linkshandige draai plaatsvindt (met de klok mee), wordt er gezegd dat deze negatief is gedraaid. Als de draai met de klok mee (tegen de klok in) is, is deze positief super opgerold.

Kortom, topoisomerasen kunnen:

-Vergemakkelijking van de passage van een DNA-streng door een snede in de tegenoverliggende streng (topoisomerase type I).

-Vergemakkelijking van de doorgang van een volledige dubbele helix door een split op zichzelf, of door een splitsing in een andere dubbele helix (topoisomerase type II).

Samenvattend werken topoisomerasen door de splitsing van fosfodiesterbindingen, in één of beide strengen waaruit het DNA bestaat. Wijzig vervolgens de wikkelingstoestand van de strengen van een dubbele helix (topoisomerase I) of twee dubbele helices (topoisomerase II) om uiteindelijk terug te keren om de uiteinden die zijn afgesneden te binden of te ligeren.

Topoisomerasen en celcyclus

Hoewel topoisomerase I een enzym is dat grotere activiteit vertoont tijdens de S-fase (DNA-synthese), wordt het niet beschouwd als afhankelijk van een fase van de celcyclus.

Terwijl de topoisomerase II-activiteit actiever is tijdens de logaritmische fase van celgroei en in de cellen van de snelgroeiende tumoren.

functies

De verandering van de genen die coderen voor de topoisomerasen is dodelijk voor de cellen, hetgeen het belang van deze enzymen aantoont. Onder de processen waaraan topoisomerases deelnemen, zijn:

Compacte opslag van genetisch materiaal

Topoisomerasen vergemakkelijken de opslag van genetische informatie op een compacte manier, omdat ze DNA-coiling en supercoiling genereren, waardoor een grote hoeveelheid informatie in een relatief klein volume kan worden gevonden.

Toegang tot genetische informatie

Als er geen topoisomerasen en hun unieke kenmerken zouden zijn, zou het onmogelijk zijn om toegang te krijgen tot de informatie die is opgeslagen in het DNA. Dit komt omdat de topoisomerases de spanning periodiek vrijgeven door twisten die wordt gegenereerd in de dubbele helix van DNA, tijdens het afwikkelen ervan, in de processen van replicatie, transcriptie en recombinatie.

Als de spanning als gevolg van torsie die tijdens deze processen wordt gegenereerd niet wordt vrijgegeven, kan dit een defecte genexpressie, de onderbreking van het circulaire DNA of chromosoom veroorzaken en zelfs celdood veroorzaken.

Regulatie van genexpressie

De conformationele veranderingen (in de driedimensionale structuur) van het DNA-molecuul stellen specifieke gebieden bloot aan de buitenkant, die een interactie kunnen aangaan met DNA-bindende eiwitten. Deze eiwitten hebben een regulerende functie van genexpressie (positief of negatief).

De toestand van DNA-wikkeling, gegenereerd door de werking van topoisomerasen, beïnvloedt dus de regulatie van genexpressie.

Bijzonderheden van topoisomerase II

Topoisomerase II is noodzakelijk voor de assemblage van chromatiden, de condensatie en decondensatie van chromosomen en de segregatie van dochter-DNA-moleculen tijdens mitose.

Dit enzym is ook een structureel eiwit en een van de hoofdbestanddelen van de matrix van de celkern tijdens de interfase.

Soorten topoisomerasen

Er zijn twee hoofdtypen topoisomerasen, afhankelijk van of ze in staat zijn één of twee DNA-strengen te splitsen.

-Topoisomerasen type I

monomeer                 

Type I topoisomerases zijn monomeren die negatieve en positieve supercoils verzachten, die worden geproduceerd door de beweging van de vork tijdens transcriptie, en tijdens de processen van replicatie en genrecombinatie.

Type I topoisomerasen kunnen worden onderverdeeld in type 1A en type 1B. De laatste zijn die welke bij mensen worden gevonden en zijn verantwoordelijk voor het ontspannen van het supercoiled DNA.

Tyrosine in zijn actieve site

Topoisomerase 1B (Top1B) bestaat uit 765 aminozuren verdeeld in 4 specifieke domeinen. Een van deze domeinen heeft een sterk geconserveerd gebied dat de actieve site met tyrosine (Tyr7233) bevat. Alle topoisomerasen bevatten op hun actieve plaats een tyrosine met een fundamentele rol in het gehele katalytische proces.

Werkingsmechanisme

Tyrosine van de actieve site vormt een covalente binding met het 3'-fosfaatuiteinde van de DNA-streng, snijdt het af en houdt het aan het enzym gebonden, terwijl het een andere DNA-streng door de excisie passeert.

De passage van de andere streng van DNA door de uitgesneden streng wordt bereikt dankzij een conformationele transformatie van het enzym, dat de opening van de dubbele DNA-helix produceert.

Dan keert topoisomerase I terug naar zijn initiële conformatie en bindt opnieuw de uitgesneden uiteinden. Dit gebeurt door een proces dat tegengesteld is aan het verbreken van de DNA-keten, in de katalytische plaats van het enzym. Ten slotte geeft de topoisomerase de DNA-streng af.

De DNA-ligatiesnelheid is hoger dan de excisiesnelheid, die de stabiliteit van het molecuul en de integriteit van het genoom verzekert.

Samengevat, katalyseert topoisomerase type I:

1. De excisie van een streng.
2. De doorgang van de andere streng door de splitsing.
3. De ligatie van de gespleten punten.

-Topoisomerasen type II

dimeer

Type II topoisomerasen zijn dimere enzymen, die beide DNA-strengen splitsen, waardoor de supercoils die worden gegenereerd tijdens transcriptie en andere cellulaire processen worden ontspannen.

Mg Dependents⁺⁺ en ATP

Deze enzymen hebben magnesium nodig (mg⁺⁺) en hebben ook de energie nodig die afkomstig is van de afbraak van de ATP-trifosfaatkoppeling, waarvan ze profiteren dankzij een ATPase.

Twee actieve sites met tyrosine

Menselijke topoisomerasen II lijken erg op die van gist (Saccharomyces cerevisiae), bestaande uit twee monomeren (deelfragmenten A en B). Elk monomeer heeft een ATPase-domein en in een subfragment de tyrosine-actieve plaats 782, waaraan het DNA kan binden. Daarom kunnen twee strengen DNA worden verbonden met topoisomerase II.

Werkingsmechanisme

Het werkingsmechanisme van topoisomerase II is hetzelfde als dat beschreven voor topoisomerase I, aangezien twee DNA-ketens worden gesplitst en niet alleen één.

In de actieve plaats van topoisomerase II wordt een fragment van het eiwit gestabiliseerd (door covalente binding met tyrosine). dubbele helix van DNA, genaamd "fragment G". Dit fragment wordt gespleten en gebonden aan de actieve plaats door covalente bindingen.

Vervolgens laat het enzym een ​​ander fragment van DNA, genaamd "T-fragment", door het fragment "G" gespleten, dankzij een conformationele verandering van het enzym, dat afhankelijk is van de hydrolyse van ATP.

Topoisomerase II bindt de twee uiteinden van het "fragment G" en wint uiteindelijk de initiële toestand ervan, waarbij het fragment "G" wordt vrijgegeven. Vervolgens ontspant het DNA de torsiespanning, waardoor de processen van replicatie en transcriptie kunnen plaatsvinden.

-Menselijke topoisomerasen

Het menselijk genoom heeft vijf topoisomerasen: top1, top3α, top3β (van type I); en top2α, top2β (van het type II). De meest relevante menselijke topoisomerasen zijn top1 (topoisomerase type IB) en 2α (topoisomerase type II).

Topoisomerase-remmers

-Topoisomerasen als doelwit voor chemische aanvallen

Omdat de processen die worden gekatalyseerd door de topoisomerasen noodzakelijk zijn voor het overleven van de cellen, zijn deze enzymen goede doelwitten voor aanvallen om de kwaadaardige cellen te beïnvloeden. Hiervoor worden topoisomerasen belangrijk geacht bij de behandeling van veel menselijke ziekten.

Geneesmiddelen die interageren met topoisomerasen worden momenteel algemeen bestudeerd als chemotherapeutische stoffen tegen kankercellen (in verschillende organen van het lichaam) en pathogene micro-organismen.

-Soorten inhibitie

Topoisomerase-remmende geneesmiddelen kunnen:

• Inname in DNA.
• Beïnvloed het topoisomerase-enzym.
• Schuif door naar een molecuul in de buurt van de actieve plaats van het enzym, terwijl het DNA-topoisomerase-complex is gestabiliseerd.

De stabilisatie van het tijdelijke complex dat wordt gevormd door de binding van het DNA aan de tyrosine van de katalytische plaats van het enzym, voorkomt de vereniging van de uitgesneden fragmenten, wat kan leiden tot celdood.

-Remmers van topoisomerasen

Onder de verbindingen die topoisomerasen remmen, zijn de volgende.

Antitumorantibiotica

Antibiotica worden tegen kanker gebruikt, omdat ze de groei van tumorcellen voorkomen, meestal door te interfereren met hun DNA. Ze worden vaak antineoplastische antibiotica genoemd (tegen kanker). Actinomycine D beïnvloedt bijvoorbeeld topoisomerase II en wordt gebruikt in Wilms-tumoren bij kinderen en bij rhabdomyosarcomen..

anthracyclines

Anthracyclines zijn, onder antibiotica, de meest effectieve geneesmiddelen tegen kanker en het breedste spectrum. Ze worden gebruikt bij de behandeling van longkanker, eierstokken, baarmoeder, maag, blaas, borst, leukemie en lymfomen. Het is bekend dat het topoisomerase II beïnvloedt door intercalatie in DNA.

De eerste anthracycline geïsoleerd uit een actinobacterie (Streptomyces peucetius) was de daunorubicin. Daarna werd doxorubicine in het laboratorium gesynthetiseerd en nu worden ook epirubicine en idarubicine gebruikt..

antrachinon

Anthraquinonen of anthracenedionen zijn verbindingen afgeleid van anthraceen, vergelijkbaar met anthracyclines, die de activiteit van topoisomerase II beïnvloeden door intercalatie in DNA. Ze worden gebruikt voor uitgezaaide borstkanker, non-Hodgkin-lymfoom (NHL) en leukemie.

Deze medicijnen werden aangetroffen in de pigmenten van sommige insecten, planten (franula, senna, rabarber), korstmossen en schimmels; evenals in de hoelita, een natuurlijk mineraal. Afhankelijk van hun dosis, kunnen ze kankerverwekkend zijn.

Van deze verbindingen hebben we mitoxantron en het analoge losoxantron. Deze voorkomen de proliferatie van kwaadaardige tumorcellen, die onomkeerbaar binden aan DNA.

epipodofyllotoxinen

Podofyllotoxinen, zoals epidofilotoxinen (VP-16) en teniposide (VM-26), vormen een complex met topoisomerase II. Ze worden onder andere gebruikt tegen kanker van de longen, testikels, leukemie, lymfomen, eierstokkanker, borstcarcinoom en kwaadaardige intracraniële tumoren. Ze zijn geïsoleerd van de planten Podophyllum notatum en P. peltatum.

Camptothecins-analogen

Campotecinen zijn verbindingen die topoisomerase I remmen, en onder hen zijn irinotecan, topotecan en diflomotecan.

Deze verbindingen zijn gebruikt tegen kanker van de dikke darm, long en borst en worden op natuurlijke wijze verkregen uit de schors en bladeren van de boomsoorten Camptotheca acuminata van Chinese perziken en Tibet.

Natuurlijke remming

Structurele veranderingen van topoisomerasen I en II kunnen ook volledig natuurlijk optreden. Dit kan gebeuren tijdens sommige gebeurtenissen die van invloed zijn op het katalytische proces.

Onder deze veranderingen kunnen we de vorming van pyrimidine-dimeren, mismatches van stikstofhoudende basen en andere gebeurtenissen veroorzaakt door oxidatieve stress noemen..

referenties

1. Anderson, H., & Roberge, M. (1992). DNA-topoisomerase II: een overzicht van zijn betrokkenheid bij de chromosoomstructuur, DNA-replicatie, transcriptie en 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). Een overzicht van de remming van topoisomerase bij longkanker. 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). Op platinum gebaseerde antikankermiddelen: innovatieve ontwerpstrategieën en biologische perspectieven. Medicinal Research Reviews, 23 (5): 633-655. doi: 10.1002 / med.10038
4. Li, T.-K., & Liu, L. F. (2001). Tumor celdood geïnduceerd door topoisomerase-richtende geneesmiddelen. Jaaroverzicht van farmacologie en toxicologie, 41 (1): 53-77. doi: 10.1146 / annurev.pharmtox.41.1.53
5. Liu, L.F. (1994). DNA-topoisomerasen: op topoisomerase gerichte geneesmiddelen. Academische pers. pp 307
6. Osheroff, N. en Bjornsti, M. (2001). DNA Topoisomerase. Enzymologie en medicijnen. Deel II. Humana Press. pp 329.
7. Rothenberg, M.L. (1997). Topoisomerase I-remmers: controleren en bijwerken. Annals of Oncology, 8 (9), 837-855. doi: 10.1023 / a: 1008270717294
8. Ryan B. (2009, 14 december). Topoisomerase 1 en 2. [Videobestand]. Opgehaald van youtube.com