Topoizomerāžu īpašības, funkcijas, veidi un inhibitori



The topoizomerāzes ir izomerāzes enzīmu veids, kas maina dezoksiribonukleīnskābes (DNS) topoloģiju, radot gan tās atlocīšanu, gan tās tinumu un pārspīlēšanu..

Šiem enzīmiem ir īpaša loma, lai mazinātu torsiālo stresu DNS, lai varētu notikt tādi nozīmīgi procesi kā tās replikācija, DNS transkripcija messenger ribonukleīnskābē (mRNS) un DNS rekombinācija..

Topoizomerāzes enzīmi ir gan eukariotiskajās, gan prokariotiskajās šūnās. Tās pastāvēšanu paredzēja zinātnieki Watson un Crick, novērtējot ierobežojumus, ko DNS struktūra uzrāda, lai ļautu piekļūt tās informācijai (saglabāta tās nukleotīdu secībā).

Lai izprastu topoizomerāžu funkcijas, jāņem vērā, ka DNS ir stabila dubultā spirāles struktūra, un tās ķēdes tiek velmētas pa otru.

Šīs lineārās ķēdes veido 2-dezoksiriboze, kas savienota ar fosfodiestera saitēm 5'-3 ', un slāpekļa bāzes savā interjerā, piemēram, spirālveida kāpņu pakāpieni..

DNS molekulu topoloģiskā izpēte ir parādījusi, ka tās var uzņemties vairākas konformācijas atkarībā no to griezes sprieguma: no relaksācijas stāvokļa līdz dažādiem tinumu stāvokļiem, kas ļauj to saspiešanu..

DNS molekulas ar dažādām konformācijām sauc par topoizomēriem. Tādējādi varam secināt, ka I un II topoizomerāzes var palielināt vai samazināt DNS molekulu griezes spriedzi, veidojot to dažādos topoizomērus..

Starp iespējamiem DNS topoizomēriem visbiežāk sastopamā forma ir pārspīlējums, kas ir ļoti kompakts. Tomēr vairāku molekulāro procesu laikā topoizomerāzēm ir jāizslēdz arī DNS dubultā spirāle.

Indekss

  • 1 Raksturojums
    • 1.1 Vispārējas rīcības mehānisms
    • 1.2. Topoizomerāzes un šūnu cikls
  • 2 Funkcijas
    • 2.1. Ģenētiskā materiāla kompakta uzglabāšana
    • 2.2. Ģenētiskās informācijas pieejamība
    • 2.3 Gēnu ekspresijas regulēšana
    • 2.4. Topoizomerāzes II īpatnības
  • 3 Topoizomerāžu veidi
    • 3.1. I tipa topoizomerāzes
    • 3.2. II tipa tropoizomerāzes
    • 3.3 - Cilvēka topoizomerāzes
  • 4 Topoizomerāzes inhibitori
    • 4.1. Topoizomerāzes kā ķīmiskās iedarbības mērķis
    • 4.2. Inhibīcijas veidi
    • 4.3 - Topoizomerāzes inhibitori
  • 5 Atsauces

Funkcijas

Vispārējās darbības mehānisms

Daži topoizomerāzes var atpūsties tikai negatīviem DNS superkūliem vai abiem DNS superkūliem: pozitīvi un negatīvi.

Ja cirkulārā divkāršā DNS tiek noņemta uz tās gareniskās ass un notiek kreisā kārta (pulksteņrādītāja kustības virzienā), tiek apgalvots, ka tā ir pārspīlēta. Ja pagrieziens ir pulksteņrādītāja kustības virzienā (pretēji pulksteņrādītāja virzienam), tas ir pozitīvi super-spole.

Būtībā topoizomerāzes var:

-Veicināt DNS šķiedras šķērsošanu caur šķērsām pretējā daļā (I tipa topoizomerāze).

-Veicināt pilnīga dubultā spirāles šķērsošanu pa šķelšanos pats par sevi vai ar dalījumu citā atšķirīgā dubultā spirāle (II tipa topoizomerāze).

Kopumā topoizomerāzes darbojas, pārtraucot fosfodiestera saites, vienā vai abos virzienos, kas veido DNS. Pēc tam modificējiet dubultā spirāles (topoizomerāzes I) vai divu dubultu heliksu (topoizomerāzes II) virvju tinumu, lai beidzot atgrieztos izlīdzinātos galos..

Topoizomerāzes un šūnu cikls

Lai gan topoizomerāze I ir enzīms, kam ir lielāka aktivitāte S fāzes laikā (DNS sintēze), to neuzskata par atkarīgu no šūnu cikla fāzes.

Lai gan topoizomerāzes II aktivitāte ir aktīvāka šūnu augšanas logaritmiskajā fāzē un strauji augošo audzēju šūnās..

Funkcijas

Gēnu kodēšana, kas kodē topoizomerāzes, ir letāla šūnām, kas apliecina šo fermentu nozīmi. Starp procesiem, kuros piedalās topoizomerāzes, ir:

Ģenētiskā materiāla kompakta uzglabāšana

Topoizomerāzes atvieglo ģenētiskās informācijas uzglabāšanu kompaktajā veidā, jo tās ģenerē DNS slīpēšanu un pārspīlēšanu, ļaujot atrast salīdzinoši nelielu daudzumu informācijas..

Piekļuve ģenētiskai informācijai

Ja nebūtu topoizomerāžu un to unikālo īpašību, nebūtu iespējams piekļūt DNS glabātajai informācijai. Tas ir tāpēc, ka topoizomerāzes periodiski atbrīvo spriedzi, pagriežot to, kas rodas DNS dubultā spirāle, tās atlaišanas laikā, replikācijas, transkripcijas un rekombinācijas procesos..

Ja spriedze, kas rodas šajos procesos radušās deformācijas dēļ, netiek atbrīvota, tas var radīt defektu gēnu ekspresiju, aprites DNS vai hromosomas pārtraukšanu, pat radot šūnu nāvi..

Gēnu ekspresijas regulēšana

DNS molekulas konformācijas izmaiņas (trīsdimensiju struktūrā) atklāj konkrētus reģionus ārpusē, kas var mijiedarboties ar DNS saistošiem proteīniem. Šiem proteīniem ir regulatīva funkcija gēnu ekspresijai (pozitīva vai negatīva)..

Līdz ar to DNS topēšana, ko rada topoizomerāžu darbība, ietekmē gēnu ekspresijas regulēšanu.

Topoizomerāzes II īpatnības

Topoizomerāze II ir nepieciešama hromatīdu montāžai, hromosomu kondensācijai un dekondensācijai un meitas DNS molekulu segregācijai mitozes laikā..

Šis enzīms ir arī strukturāls proteīns un viena no šūnu kodola matricas galvenajām sastāvdaļām starpfāzes laikā..

Topoizomerāžu veidi

Pastāv divi galvenie topoizomerāžu veidi atkarībā no tā, vai tie spēj sadalīt vienu vai divas DNS virves.

-I tipa topoizomerāzes

Monomērs                 

I tipa topoizomerāzes ir monomēri, kas atvieglo negatīvus un pozitīvus superķermenīšus, ko rada dakšas kustība transkripcijas laikā, kā arī replikācijas un gēnu rekombinācijas procesi..

I tipa topoizomerāzes var iedalīt 1.A un 1.B tipā. Pēdējie ir tie, kas atrodami cilvēkiem, un ir atbildīgi par superkūlas DNS atpūstību.

Tirozīns aktīvajā vietā

Topoizomerāze 1B (Top1B) sastāv no 765 aminoskābēm, kas iedalītas 4 specifiskos domēnos. Vienai no šīm jomām ir ļoti konservēta teritorija, kas satur aktīvo vietu ar tirozīnu (Tyr7233). Visi topoizomerāzes, kas atrodas to aktīvajā vietā, ir tirozīns ar būtisku lomu visā katalītiskajā procesā.

Darbības mehānisms

Tirozīns no aktīvās vietas veido kovalento saiti ar DNS auklas 3'-fosfāta galu, nogriežot to un saglabājot to piesaistot fermentam, šķērsojot citu DNS virkni caur ekskrementu.

Cita DNS daļa, kas izdalīta ar izdalīto šķērsli, tiek panākta, pateicoties fermenta konformācijas transformācijai, kas rada DNS dubultā spirāles atvēršanu..

Tad topoizomerāze I atgriežas sākotnējā konformācijā un atkal piesaista izdalītos galus. Tas notiek, izmantojot procesu, kas ir pretējs DNS ķēdes sadalīšanai fermenta katalītiskajā vietā. Visbeidzot, topoizomerāze atbrīvo DNS virkni.

DNS ligēšanas ātrums ir augstāks nekā izdalīšanās ātrums, kas nodrošina molekulas stabilitāti un genoma integritāti.

Kopumā I tipa topoizomerāzes katalizē:

  1. Auklas izgriešana.
  2. Pārējās daļas šķērsošana caur sadalījumu.
  3. Sadalīto galu piesaiste.

-II tipa topoizomerāzes

Diméricas

II tipa topoizomerāzes ir dimēra fermenti, kas sašķeļ abas DNS daļas, tādējādi atslābinot transkripcijas un citu šūnu procesu laikā radušos supercoils..

Mg atkarīgie++ un ATP

Šiem fermentiem ir nepieciešams magnijs (Mg++) un arī nepieciešama enerģija, kas nāk no ATP trifosfāta saiknes, ko tās izmanto, pateicoties ATPāzes \ t.

Divas aktīvās vietas ar tirozīnu

Cilvēka topoizomerāzes II ir ļoti līdzīgas rauga \ tSaccharomyces cerevisiae), kas sastāv no diviem monomēriem (A un B apakšfragmas). Katram monomeram ir ATPāzes domēns un apakšfragmentā tirozīna aktīvā vieta 782, kurai DNS var saistīties. Tāpēc topoizomerāzes II var savienot divas DNS virknes.

Darbības mehānisms

Topoizomerāzes II darbības mehānisms ir tāds pats, kā aprakstīts topoizomerāzes I gadījumā, ņemot vērā, ka divas DNS ķēdes ir sadalītas un ne tikai viena.

Topoizomerāzes II aktīvajā vietā proteīna fragments tiek stabilizēts (ar kovalentu saistīšanos ar tirozīnu). dubultā spirāle DNS, ko sauc par "fragmentu G". Šis fragments tiek sadalīts un ar kovalentām saitēm tiek turēts piesaistīts aktīvajai vietai.

Pēc tam enzīms ļauj citam DNS fragmentam, ko sauc par "T fragmentu", šķērsot fragmentu "G", ko izraisa fermenta konformācijas izmaiņas, kas ir atkarīga no ATP hidrolīzes..

Topoizomerāze II saista abus "fragmenta G" galus un beidzot atgūst sākotnējo stāvokli, atbrīvojot fragmentu "G". Pēc tam DNS atvieglo deformāciju, ļaujot rasties replikācijas un transkripcijas procesi.

-Cilvēka topoizomerāzes

Cilvēka genomam ir pieci topoizomerāzes: top1, top3α, top3β (I tipa); un top2α, top2β (II tipa). Visbūtiskākās cilvēka topoizomerāzes ir top1 (IB tipa topoizomerāze) un 2α (II tipa topoizomerāze)..

Topoizomerāzes inhibitori

-Topoizomerāzes kā ķīmiskās iedarbības mērķis

Tā kā procesi, ko katalizē topoizomerāzes, ir nepieciešami šūnu izdzīvošanai, šie fermenti ir labs uzbrukuma mērķis, kas ietekmē ļaundabīgās šūnas. Šim nolūkam topoizomerāzes tiek uzskatītas par svarīgām daudzu cilvēku slimību ārstēšanā.

Zāles, kas mijiedarbojas ar topoizomerāzēm, šobrīd plaši tiek pētītas kā ķīmijterapijas vielas pret vēža šūnām (dažādos ķermeņa orgānos) un patogēnos mikroorganismos..

-Inhibīcijas veidi

Topoizomerāzes aktivitātes inhibējošās zāles var:

  • Iegūstiet DNS.
  • Ietekmē topoizomerāzes fermentu.
  • Liekas molekulā pie fermenta aktīvās vietas, kamēr DNS-topoizomerāzes komplekss ir stabilizēts.

Pagaidu kompleksa stabilizācija, ko veido DNS saistīšanās ar enzīma katalītiskās vietas tirozīnu, novērš izdalīto fragmentu savienojumu, kas var izraisīt šūnu nāvi..

-Topoizomerāžu inhibitori

Starp savienojumiem, kas inhibē topoizomerāzes, ir šādi.

Pretvēža antibiotikas

Antibiotikas lieto pret vēzi, jo tās novērš audzēja šūnu augšanu, parasti traucējot to DNS. Tos bieži sauc par antineoplastiskām antibiotikām (pret vēzi). Piemēram, aktinomicīns D ietekmē topoizomerāzi II, un to lieto Wilms audzējos bērniem un rabdomiozarcomas..

Antraciklīni

Antraciklīni ir antibiotiku vidū visefektīvākie pretvēža līdzekļi un plašākais spektrs. Tos izmanto plaušu vēža, olnīcu, dzemdes, kuņģa, urīnpūšļa, krūts, leikēmijas un limfomu ārstēšanā. Ir zināms, ka tas ietekmē topoizomerāzi II, izmantojot interkalāciju DNS.

Pirmais antraciklīns, kas izolēts no aktinobaktērijām (\ tStreptomyces peucetius) bija daunorubicīns. Pēc tam laboratorijā tika sintezēts doksorubicīns, un tagad tiek izmantots arī epirubicīns un idarubicīns..

Antrakinoni

Antrakinoni vai antracēndioni ir savienojumi, kas iegūti no antracēna, līdzīgi kā antraciklīniem, kas ietekmē topoizomerāzes II aktivitāti, izmantojot interkalāciju DNS. Tos lieto metastātiska krūts vēža, ne-Hodžkina limfomas (NHL) un leikēmijas ārstēšanai.

Šīs zāles tika konstatētas dažu kukaiņu, augu (frángula, senna, rabarberu), ķērpju un sēnīšu pigmentos; kā arī hoelita, kas ir dabisks minerāls. Atkarībā no devas, tās var būt kancerogēnas.

Starp šiem savienojumiem ir mitoksantrons un tā analogais losoksantrons. Tie novērš ļaundabīgo audzēju šūnu proliferāciju, neatgriezeniski saistoties ar DNS.

Epidofilotoksīni

Podofilotoksīni, piemēram, epidofilotoksīni (VP-16) un tenipozīds (VM-26), veido kompleksu ar topoizomerāzi II. Tās tiek izmantotas pret plaušu, sēklinieku, leikēmijas, limfomu, olnīcu vēža, krūts karcinomas un ļaundabīgu intrakraniālu audzēju vēzi. Tie ir izolēti no augiem Podophyllum notatum un P. peltatum.

Kamptotecīnu analogi

Kampotecīni ir savienojumi, kas inhibē I topoizomerāzi, un starp tiem ir irinotekāns, topotekāns un diflomotekāns..

Šie savienojumi ir izmantoti pret resnās zarnas, plaušu un krūts vēzi, un tie ir dabiski iegūti no koku sugas un lapu lapām. Camptotheca acuminata Ķīnas persiku un Tibetas.

Dabas inhibīcija

Topoizomerāžu I un II strukturālās izmaiņas var notikt arī pilnīgi dabiski. Tas var notikt dažu notikumu laikā, kas ietekmē tā katalītisko procesu.

No šīm izmaiņām var minēt pirimidīna dimeru veidošanos, slāpekļa bāzu neatbilstību un citus oksidatīvā stresa izraisītos notikumus..

Atsauces

  1. Anderson, H., un Roberge, M. (1992). DNS topoizomerāze II: pārskats par tā iesaistīšanos hromosomu struktūrā, DNS replikācijā, transkripcijā un mitozē. Cell Biology International Reports, 16 (8), 717-724. doi: 10.1016 / s0309-1651 (05) 80016-5
  2. Chhatriwala, H., Jafri, N., un Salgia, R. (2006). Pārskats par topoizomerāzes inhibīciju plaušu vēzī. Cancer Biology & Therapy, 5 (12): 1600-1607. doi: 10,4161 / cbt.5.12.3546
  3. Ho, Y.-P., Au-Yeung, S.C. F., un To, K. K. W. (2003). Pretvēža līdzekļi ar platīna bāzes: inovatīvas dizaina stratēģijas un bioloģiskās perspektīvas. Medicinal Research Reviews, 23 (5): 633-655. doi: 10.1002 / med.10038
  4. Li, T.-K., & Liu, L. F. (2001). Topoizomerāzes mērķa zāļu izraisītā audzēja šūnu nāve. Farmakoloģijas un toksikoloģijas gada pārskats, 41 (1): 53-77. doi: 10.1146 / annurev.pharmtox.41.1.53
  5. Liu, L. F. (1994). DNS topoizomerāzes: Topoizomerāzes mērķa zāles. Academic Press. 307. lpp
  6. Osheroff, N. un Bjornsti, M. (2001). DNS topoizomerāze. Enzimoloģija un narkotikas. II sējums. Humana Press. 329. lpp.
  7. Rothenberg, M. L. (1997). Topoizomerāzes I inhibitori: pārskatīt un atjaunināt. Annals of Oncology, 8 (9), 837-855. doi: 10.1023 / a: 1008270717294
  8. Ryan B. (2009, 14. decembris). Topoizomerāze 1 un 2. [Video fails]. Izgūti no youtube.com