ТОПОІЗОМЕРАЗИ: ХАРАКТЕРИСТИКИ, ФУНКЦІЇ, ТИПИ ТА ІНГІБІТОРИ - БІОЛОГІЯ - 2025

У топоізомерази представляє собою ферменти , ізомерази типу зміни топології дезоксирибонуклеїнової кислоти (ДНК), генеруючи як його розмотування і суперспіралізації як його завиток.

Ці ферменти відіграють особливу роль у знятті торсіонного стресу на ДНК, тому можуть відбуватися важливі процеси, такі як його реплікація, транскрипція ДНК у месенджер рибонуклеїнової кислоти (мРНК) та рекомбінація ДНК.

Малюнок 1. Топоізомераза II. Джерело: Emw, з Вікісховища

Ферменти топоізомерази присутні як в еукаріотичних, так і в прокаріотичних клітинах. Його існування передбачили вчені Уотсон і Крик, оцінюючи обмеження, представлені структурою ДНК, щоб забезпечити доступ до її інформації (зберігається у її нуклеотидній послідовності).

Для розуміння функцій топоізомераз необхідно враховувати, що ДНК має стійку структуру з подвійною спіраллю, її нитки звиваються одна над іншою.

Ці лінійні ланцюги складаються з 2-дезоксирибози, з'єднаної фосфодіефірними зв'язками 5'-3 ', і азотистими основами всередині, подібно до стулок спіральної сходи.

Малюнок 2. Молекула ДНК. Джерело: https://es.m.wikipedia.org/wiki/Archivo:3DScience_DNA_structure_labeled_a.jpg

Топологічне дослідження молекул ДНК показало, що вони можуть приймати різні конформації, що залежать від їх крутильного напруження: від розслабленого стану до різних станів згортання, що дозволяє їх ущільнення.

Молекули ДНК з різною конформацією називаються топоізомерами. Таким чином, можна зробити висновок, що топоізомерази I та II можуть збільшувати або зменшувати крутій напруги молекул ДНК, утворюючи їх різні топоізомери.

Серед можливих ДНК-топоізомерів найпоширенішою конформацією є надкрила, яка є дуже компактною. Однак подвійна спіраль ДНК також повинна бути розмотана топоізомеразами під час різних молекулярних процесів.

характеристики

Загальний механізм дії

Деякі топоізомерази можуть розслабляти лише негативні надкришки ДНК, або обидві надкрилі ДНК: позитивні та негативні.

Якщо кругла дволанцюгова ДНК розкручена на своїй довгій осі і настає поворот лівою рукою (за годинниковою стрілкою), вона вважається негативно перекритою. Якщо поворот за годинниковою стрілкою (проти годинникової стрілки), він позитивно перекривається.

Малюнок 3. Негативно переохолоджена, розслаблена та позитивно перекрита кругла дволанцюгова ДНК. Джерело: Фдардель, з Вікімедіа

В основному, топоізомерази можуть:

-Порівняти проходження нитки ДНК через розріз у протилежному ланцюжку (топоізомераза I типу).

-Порівняти проходження повної подвійної спіралі через само розщеплення або через розщеплення в іншій подвійній спіралі (топоізомераза II типу).

Підсумовуючи це, топоізомерази діють шляхом розщеплення фосфодіефірних зв’язків в одній або обох ланцюгах, що складають ДНК. Потім вони змінюють стан згортання ниток подвійної спіралі (топоізомераза I) або двох подвійних спіралей (топоізомераза II), щоб остаточно зв'язати або зв'язати розщеплені кінці знову.

Топоізомерази та клітинний цикл

Хоча топоізомераза I є ферментом, який проявляє більшу активність під час S фази (синтез ДНК), він не вважається залежним від фази клітинного циклу.

Тоді як активність топоізомерази II активніша під час логарифмічної фази росту клітин і в клітинах швидко зростаючих пухлин.

Особливості

Зміна генів, що кодують топоізомерази, смертельна для клітин, що свідчить про важливість цих ферментів. Серед процесів, в яких беруть участь топоізомерази, є:

Компактне зберігання генетичного матеріалу

Топоізомерази полегшують зберігання генетичної інформації компактним способом, оскільки вони генерують згортання та переохолодження ДНК, дозволяючи знайти велику кількість інформації у відносно невеликому обсязі.

Доступ до генетичної інформації

Без топоізомераз та їх унікальних характеристик доступ до інформації, що зберігається в ДНК, був би неможливим. Це пов’язано з тим, що топоізомерази періодично вивільняють торсіональний стрес, який утворюється в подвійній спіралі ДНК, під час її розмотування, в процесах реплікації, транскрипції та рекомбінації.

Малюнок 4. Реплікація ДНК. Дивіться топоізомеразу на початку шпильки ДНК. Джерело: LadyofHats у перекладі Miguelsierra, через Wikimedia Commons

Якщо торсіонарний стрес, що виникає під час цих процесів, не вивільняється, може статися дефектна експресія гена, переривання циркулярної ДНК або хромосоми, навіть спричинення загибелі клітин.

Регуляція експресії генів

Конформаційні зміни (в тривимірній структурі) молекули ДНК виводять назовні конкретні ділянки, які можуть взаємодіяти з білками, що зв'язують ДНК. Ці білки мають регуляторну функцію експресії генів (позитивної чи негативної).

Малюнок 5. Регулюючий білок експресії генів, в цьому випадку він перешкоджає експресії певних генів. Зефіріс в англійській Вікіпедії

Таким чином, стан згортання ДНК, породжений дією топоізомерази, впливає на регуляцію експресії генів.

Особливості топоізомерази II

Топоізомераза II необхідна для складання хроматид, конденсації та деконденсації хромосом та сегрегації дочірних молекул ДНК під час мітозу.

Цей фермент також є структурним білком і однією з основних складових матриці клітинного ядра під час інтерфази.

Типи топоізомераз

Існує два основних типи топоізомерази залежно від того, чи здатні вони розщепити одну або дві нитки ДНК.

-Топоізомерази I типу

Мономерний

Топоізомерази типу I - це мономери, які полегшують негативні та позитивні надкрилки, які утворюються рухом шпильки під час транскрипції та під час процесів реплікації та рекомбінації генів.

Топоізомерази типу I можна підрозділити на тип 1А та тип 1В. Останні - це ті, які виявлені у людини, і вони відповідають за розслаблення переохолодженої ДНК.

Тирозин в його активному сайті

Топоізомераза 1B (Top1B) складається з 765 амінокислот, розділених на 4 конкретні домени. Один з цих доменів має високозбережену область, що містить активний сайт тирозину (Tyr7233). Всі топоізомерази представляють тирозин у своєму активному центрі, що має основну роль у всьому каталітичному процесі.

Механізм дії

Тирозин активного сайту утворює ковалентний зв’язок з 3'-фосфатним кінцем ланцюга ДНК, розрізаючи його і утримуючи його приєднаним до ферменту, а інша ланцюг ДНК проходить через розщеплення.

Проходження іншої ланцюга ДНК через розщеплену ланцюг досягається завдяки конформаційному перетворенню ферменту, який виробляє відкриття подвійної спіралі ДНК.

Потім топоізомераза I повертається до початкової конформації і знову зв’язує розщеплені кінці. Це відбувається шляхом процесу, оберненого до розриву ланцюга ДНК, на каталітичному місці ферменту. Нарешті, топоізомераза звільняє ланцюг ДНК.

Швидкість лігування ДНК вища, ніж швидкість висічення, забезпечуючи тим самим стабільність молекули та цілісність геному.

Підсумовуючи, каталізатори топоізомерази типу I:

1. Розщеплення пасма.
2. Проходження іншої пасма через розщеплення.
3. Перев'язка відщеплених кінців.

-Топоізомерази II типу

Дімерний

Топоізомерази типу II - це димерні ферменти, які розщеплюють обидві ланцюги ДНК, розслабляючи, таким чином, супергірки, що утворюються під час транскрипції та інших клітинних процесів.

Mg залежний

Цим ферментам потрібен магній (Mg ⁺⁺ ), а також необхідна енергія, яка надходить від розриву трифосфатної зв'язку АТФ, якою вони користуються завдяки АТФазі.

Два активні сайти з тирозином

Людські топоізомерази II дуже схожі на дріжджі (Saccharomyces cerevisiae), які складаються з двох мономерів (підфрагменти A і B). Кожен мономер має домен АТФази, а в субфрагменті - активний сайт тирозину 782, до якого ДНК може зв'язуватися. Таким чином, дві нитки ДНК можуть зв'язуватися з топоізомеразою II.

Механізм дії

Механізм дії топоізомерази II такий же, як описаний для топоізомерази I, враховуючи, що дві ланцюги ДНК розділені, а не одна.

В активному місці топоізомерази II стабілізується фрагмент ДНК з подвійною спіраллю, який називається "фрагмент G" (шляхом ковалентного зв'язку з тирозином). Цей фрагмент вирізають і тримають разом до активного сайту ковалентними зв’язками.

Потім фермент дозволяє іншому фрагменту ДНК, який називається "T-фрагмент", пройти через розщеплений фрагмент "G", завдяки конформаційній зміні ферменту, яка залежить від гідролізу АТФ.

Топоізомераза II зв’язує два кінці "G фрагмента" і, нарешті, відновлює свій початковий стан, вивільняючи фрагмент "G". Потім ДНК послаблює крутний стрес, дозволяючи відбуватися реплікацію та транскрипцію.

-Чоловічі топоізомерази

Геном людини має п'ять топоізомераз: top1, top3α, top3β (тип I); і top2α, top2β (типу II). Найбільш відповідні топоізомерази людини - це top1 (тип топоізомерази IB) та 2α (топоізомераза II типу).

Інгібітори топоізомерази

-Топоізомерази як мета хімічної атаки

Оскільки процеси, що каталізуються топоізомеразами, необхідні для виживання клітин, ці ферменти є хорошою мішенню атаки для впливу на злоякісні клітини. З цієї причини топоізомерази вважаються важливими при лікуванні багатьох хвороб людини.

Препарати, які взаємодіють з топоізомеразами, в даний час широко вивчаються як хіміотерапевтичні речовини проти ракових клітин (в різних органах організму) та патогенних мікроорганізмів.

-Типи гальмування

Препарати, які інгібують активність топоізомерази, можуть:

• Бутерброд в ДНК.
• Впливає на фермент топоізомеразу.
• Інтеркалювати в молекулі, близькій до активного сайту ферменту, поки стабілізується комплекс ДНК-топоізомерази.

Стабілізація перехідного комплексу, що утворюється при зв'язуванні ДНК з тирозином каталітичного сайту ферменту, перешкоджає зв'язуванню розщеплених фрагментів, що може призвести до загибелі клітин.

-Препарати інгібіторів топоізомерази

Серед сполук, які інгібують топоізомерази, є такі.

Протипухлинні антибіотики

Антибіотики застосовуються проти раку, оскільки вони перешкоджають росту пухлинних клітин, зазвичай перешкоджаючи їх ДНК. Їх часто називають антинеопластичними (раковими) антибіотиками. Наприклад, актиноміцин D впливає на топоізомеразу II і застосовується при пухлинах Вільмса у дітей та рабдоміосаркомах.

Антрацикліни

Антрацикліни є серед антибіотиків, одним з найефективніших протипухлинних препаратів і з найширшим спектром дії. Їх використовують для лікування раку легенів, яєчників, матки, шлунка, сечового міхура, молочної залози, лейкемії та лімфоми. Відомо, що впливає на топоізомеразу II шляхом інтеркаляції в ДНК.

Першим антрацикліном, виділеним з актинобактерій (Streptomyces peucetius), був даунорубіцин. Згодом доксорубіцин був синтезований у лабораторії, а сьогодні застосовують також епірубіцин та ідарубіцин.

Антрахінони

Антрахінони або антрацендіони - це сполуки, отримані з антрацену, схожі на антрацикліни, які впливають на активність топоізомерази II шляхом інтеркаляції в ДНК. Їх використовують при метастатичному раку молочної залози, неходжкінській лімфомі (NHL) та лейкемії.

Ці препарати були виявлені в пігментах деяких комах, рослин (фронгула, сенна, ревінь), лишайників та грибів; а також в холіті, який є природним мінералом. Залежно від вашої дози вони можуть бути канцерогенними.

Серед цих сполук маємо мітоксантрон та його аналог - лозоксантрон. Вони запобігають розмноженню злоякісних пухлинних клітин, незворотно зв'язуючись з ДНК.

Епідофіллотоксини

Подофіллотоксини, такі як епідофіллотоксини (VP-16) і теніпозид (VM-26), утворюють комплекс з топоізомеразою II. Вони застосовуються проти раку легенів, яєчок, лейкемії, лімфоми, раку яєчників, карциноми молочної залози та злоякісних внутрішньочерепних пухлин. Podophyllum notatum і P. peltatum виділяють із рослин.

Аналоги камптотецину

Кампотецини - це сполуки, які інгібують топоізомеразу I, включаючи іринотекан, топотекан та дифломотекан.

Ці сполуки використовувались проти раку товстої кишки, легенів та молочної залози, їх отримують природним шляхом з кори та листя дендропарку Camptotheca acuminata з китайської та тибетської кукурудзи.

Природне гальмування

Структурні зміни топоізомераз I та II також можуть відбуватися повністю природним шляхом. Це може статися під час деяких подій, які впливають на ваш каталітичний процес.

Ці зміни включають утворення піримідинових димерів, невідповідність азотної основи та інші події, спричинені окислювальним стресом.

Список літератури

1. Anderson, H., & Roberge, M. (1992). ДНК-топоізомераза II: огляд її участі у структурі хромосом, реплікації ДНК, транскрипції та мітозі. Cell Biology International Reports, 16 (8): 717–724. doi: 10.1016 / s0309-1651 (05) 80016-5
2. Chhatriwala, H., Jafri, N., & Salgia, R. (2006). Огляд пригнічення топоізомерази при раку легенів. Біологія та терапія раку, 5 (12): 1600–1607. doi: 10.4161 / cbt.5.12.3546
3. Ho, Y.-P., Au-Yeung, SCF, & To, KKW (2003). Протиракові засоби на основі платини: інноваційні стратегії дизайну та біологічні перспективи. Огляди медичних досліджень, 23 (5): 633–655. doi: 10.1002 / med.10038
4. Li, T.-K., & Liu, LF (2001). Загибель клітин пухлини, індукована препаратами, орієнтованими на топоізомеразу. Щорічний огляд фармакології та токсикології, 41 (1): 53–77. doi: 10.1146 / annurev.pharmtox.41.1.53
5. Лю, Л. Ф. (1994). ДНК-топоізомерази: націлені на топоізомеразу препарати. Академічна преса. С. 307
6. Ошеров, Н. та Бьорнсті, М. (2001). ДНК-топоізомераза. Ензимологія та ліки. Т. ІІ. Humana Press. С. 329.
7. Ротенберг, М. Л. (1997). Інгібітори топоізомерази I: огляд та оновлення. Анали онкології, 8 (9), 837–855. doi: 10.1023 / a: 1008270717294
8. Райан Б. (2009, 14 грудня). Топоізомераза 1 і 2.. Відновлено з youtube.com