TOPOIZOMERĀZES: RAKSTURLIELUMI, FUNKCIJAS, VEIDI UN INHIBITORI - BIOLOĢIJA - 2025

The topoizomerāzēs ir fermenti isomerases tipa modificējot topoloģija dezoksiribonukleīnskābes (DNS), kas rada gan tās neapzināts un supercoiling kā tās savērpuma zonas.

Šiem fermentiem ir īpaša loma, lai mazinātu vērpes stresu DNS, lai varētu notikt tādi svarīgi procesi kā replikācija, DNS transkripcija ribonukleīnskābē (mRNS) un DNS rekombinācija.

1. attēls. Topoizomerāze II. Avots: Emw, no Wikimedia Commons

Topoizomerāzes enzīmi atrodas gan eikariotu, gan prokariotu šūnās. Tās pastāvēšanu paredzēja zinātnieki Vatsons un Kriks, novērtējot ierobežojumus, kādus uzrāda DNS struktūra, lai ļautu piekļūt tās informācijai (glabāta tās nukleotīdu secībā).

Lai saprastu topoizomerāžu funkcijas, jāņem vērā, ka DNS ir stabila dubultheliksa struktūra, un tās šķipsnas ir ievainotas viena virs otras.

Šīs lineārās ķēdes sastāv no 2-dezoksiribozes, kas savienotas ar 5'-3 'fosfodiestera saitēm, un slāpekļa bāzes iekšpusē, piemēram, pa spirālveida kāpņu pakāpieniem.

2. attēls. DNS molekula. Avots: https://es.m.wikipedia.org/wiki/Archivo:3DScience_DNA_structure_labeled_a.jpg

DNS molekulu topoloģiskais pētījums parādīja, ka tās var pieņemt dažādas konfigurācijas, kas atkarīgas no torsionālā stresa: no atvieglota stāvokļa līdz dažādiem spirālveida stāvokļiem, kas ļauj tās sablīvēt.

DNS molekulas ar atšķirīgu konfigurāciju sauc par topoisomēriem. Tādējādi mēs varam secināt, ka I un II topoizomerāzes var palielināt vai samazināt DNS molekulu vērpes stresu, veidojot to dažādos topoizomērus.

Starp iespējamiem DNS topoisomēriem visizplatītākā konformācija ir superkole, kas ir ļoti kompakta. Tomēr DNS dubultā spirāle dažādu molekulu procesu laikā ir jāattīra arī ar topoizomerāzēm.

raksturojums

Vispārīgais darbības mehānisms

Dažas topoizomerāzes var atslābināt tikai negatīvas DNS superpoles vai abas DNS superpoles: pozitīvās un negatīvās.

Ja apļveida divpavedienu DNS tiek izvilkts uz tās garās ass un notiek pagrieziens pa kreisi (pulksteņrādītāja virzienā), tiek uzskatīts, ka tas ir negatīvi pārkarsēts. Ja pagrieziens notiek pulksteņrādītāja virzienā (pretēji pulksteņrādītāja virzienam), tas ir pozitīvi apgāzts.

3. attēls. Negatīvi supergrozēta, atslābināta un pozitīvi supervārīta apļveida divpavedienu DNS. Avots: Fdardel, no Wikimedia Commons

Būtībā topoizomerāzes var:

- Atvieglojiet DNS virknes caurbraukšanu pa pretējās šķipsnas griezumu (I tipa topoizomerāze).

- Atvieglojiet pilnīgas dubultās spirāles pāreju caur pašu šķelšanos vai caur šķelšanos citā atšķirīgā dubultā spirālē (II tipa topoizomerāze).

Rezumējot, topoizomerāzes darbojas, šķeļot fosfodiestera saites vienā vai abos virzienos, kas veido DNS. Pēc tam viņi maina dubultās spirāles (topoizomerāze I) vai divu dubultās spirāles (topoizomerāze II) šķiedru stāvokli, lai beidzot atkal sasietu vai sasietu šķeltos galus.

Topoizomerāzes un šūnu cikls

Lai arī topoizomerāze I ir ferments, kam piemīt augstāka aktivitāte S fāzes laikā (DNS sintēze), to neuzskata par atkarīgu no šūnu cikla fāzes.

Tā kā topoizomerāzes II aktivitāte ir aktīvāka šūnu augšanas logaritmiskajā fāzē un ātri augošu audzēju šūnās.

Iespējas

Topoizomerāzes kodējošo gēnu izmaiņas šūnām ir nāvējošas, apliecinot šo enzīmu nozīmīgumu. Starp procesiem, kuros piedalās topoizomerāzes, ir:

Kompakta ģenētiskā materiāla glabāšana

Topoizomerāzes kompaktā veidā atvieglo ģenētiskās informācijas glabāšanu, jo tās ģenerē DNS apkopošanu un supervidināšanu, ļaujot atrast lielu informācijas daudzumu salīdzinoši nelielā apjomā.

Piekļuve ģenētiskajai informācijai

Bez topoizomerāzēm un to unikālajām īpašībām nebūtu iespējams piekļūt informācijai, kas glabājas DNS. Tas ir saistīts ar faktu, ka topoizomerāzes periodiski atbrīvo torsionālo stresu, kas rodas DNS dubultā spirālē, tās atslāņošanās laikā, replikācijas, transkripcijas un rekombinācijas procesos.

4. attēls. DNS replikācija. Skatīt topoizomerāzi DNS matadata sākumā. Avots: LadyofHats tulkojusi Miguelsierra, izmantojot Wikimedia Commons

Ja šo procesu laikā radītais vērpes stress netiek atbrīvots, var rasties nepilnīga gēna ekspresija, apļveida DNS vai hromosomas pārtraukšana, pat izraisot šūnu nāvi.

Gēnu ekspresijas regulēšana

DNS molekulas konformācijas izmaiņas (trīsdimensiju struktūrā) no ārpuses pakļauj īpašus reģionus, kas var mijiedarboties ar DNS saistošajiem proteīniem. Šīm olbaltumvielām ir regulējoša gēnu ekspresijas funkcija (pozitīva vai negatīva).

5. attēls. Gēnu ekspresijas regulējošais proteīns, šajā gadījumā tas novērš noteiktu gēnu ekspresiju. Zephyris angļu valodas Vikipēdijā

Tādējādi DNS spoles stāvoklis, ko rada topoizomerāžu darbība, ietekmē gēnu ekspresijas regulēšanu.

Topoizomerāzes II īpatnības

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

Šis ferments ir arī strukturāls proteīns un viena no galvenajām šūnas kodola matricas sastāvdaļām starpfāžu laikā.

Topoizomerāžu veidi

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

-Topoizomerāzes I tips

Monomēru

I tipa topoisomerāzes ir monomēri, kas mazina negatīvās un pozitīvās superpoles, kuras rada matadata kustība transkripcijas laikā, replikācijas un gēnu rekombinācijas procesos.

I tipa topoisomerāzes var iedalīt 1A un 1B tipos. Pēdējie ir tie, kas sastopami cilvēkiem, un viņi ir atbildīgi par supercoolētās DNS relaksāciju.

Tirozīns tā aktīvajā vietā

Topoizomerāze 1B (Top1B) sastāv no 765 aminoskābēm, kas ir sadalītas 4 specifiskos domēnos. Vienā no šiem domēniem ir ļoti konservēta zona, kas satur aktīvo tirozīna vietu (Tyr7233). Visas topoizomerāzes savā aktīvajā vietā satur tirozīnu, kam ir būtiska loma visā katalītiskajā procesā.

Darbības mehānisms

Aktīvās vietas tirozīns veido kovalento saiti ar DNS virknes 3'-fosfāta galu, to sagriežot un noturot piestiprinātu pie fermenta, bet vēl viena DNS virkne iziet cauri šķelšanai.

Citas DNS virknes pāreja caur sadalīto virkni tiek panākta, pateicoties fermenta konformācijas pārveidošanai, kas rada DNS dubultās spirāles atvēršanu.

Pēc tam topoizomerāze I atgriežas sākotnējā konformācijā un atkal saista sadalītos galus. Tas notiek ar procesu, kas ir apgriezts pret DNS ķēdes sabrukšanu fermenta katalītiskajā vietā. Visbeidzot, topoizomerāze atbrīvo DNS virkni.

DNS ligācijas ātrums ir lielāks nekā izgriešanas ātrums, tādējādi nodrošinot molekulas stabilitāti un genoma integritāti.

Kopsavilkumā I tipa topoizomerāzes katalizē:

1. Šķipsnas šķelšanās.
2. Otrās šķiedras pāreja caur šķelšanos.
3. Sadalīto galu līmēšana.

-II tipa topoizomerāzes

Dimērisks

II tipa topoisomerāzes ir dimēriski fermenti, kas sašķeļ abas DNS virknes, tādējādi atslābinot superkoku, kas rodas transkripcijas un citu šūnu procesu laikā.

Mg atkarīgs

Šiem fermentiem ir vajadzīgs magnijs (Mg ⁺⁺ ), kā arī nepieciešama enerģija, kas rodas, pārtraucot ATP trifosfāta saiti, kuru viņi izmanto, pateicoties ATPāzei.

Divas aktīvas vietas ar tirozīnu

Cilvēka II topoisomerāzes II ir ļoti līdzīgas rauga (Saccharomyces cerevisiae), kas sastāv no diviem monomēriem (A un B apakšdaļas). Katram monomēram ir ATPāzes domēns, un apakšfragmentā aktīvās vietas tirozīns 782, pie kura var saistīties DNS. Tādējādi divi DNS virzieni var saistīties ar II topoizomerāzi.

Darbības mehānisms

Topoizomerāzes II darbības mehānisms ir tāds pats kā aprakstīts topoizomerāzei I, ņemot vērā, ka divi DNS virzieni ir sadalīti, nevis tikai viens.

Topoizomerāzes II aktīvajā vietā tiek stabilizēts divkāršās spirāles DNS fragments, saukts par “fragmentu G” (caur kovalento saiti ar tirozīnu). Šis fragments tiek izgriezts un ar aktīvo vietu tiek turēts kopā ar kovalentām saitēm.

Pēc tam enzīms ļauj citam DNS fragmentam, ko sauc par “T fragmentu”, iziet caur šķelto fragmentu “G”, pateicoties fermenta konformācijas izmaiņām, kas ir atkarīgas no ATP hidrolīzes.

Topoizomerāze II saista abus "G fragmenta" galus un visbeidzot atjauno sākotnējo stāvokli, atbrīvojot "G" fragmentu. Pēc tam DNS atslābina griezes stresu, ļaujot notikt replikācijai un transkripcijai.

-Cilvēka topoisomerāzes

Cilvēka genomā ir piecas topoizomerāzes: top1, top3α, top3β (I tips); un top2α, top2β (II tipa). Visatbilstošākās cilvēka topoizomerāzes ir top1 (IB tipa topoizomerāzes) un 2α (II tipa topoizomerāzes).

Topoizomerāzes inhibitori

-Topoizomerāzes kā ķīmiska uzbrukuma mērķis

Tā kā topoizomerāžu katalizētie procesi ir nepieciešami šūnu izdzīvošanai, šie fermenti ir labs uzbrukuma mērķis, lai ietekmētu ļaundabīgas šūnas. Šī iemesla dēļ topoizomerāzes tiek uzskatītas par svarīgām daudzu cilvēku slimību ārstēšanā.

Zāles, kas mijiedarbojas ar topoizomerāzēm, pašlaik tiek plaši pētītas kā ķīmijterapijas vielas pret vēža šūnām (dažādos ķermeņa orgānos) un patogēniem mikroorganismiem.

-Inhibīcijas veidi

Zāles, kas kavē topoizomerāzes darbību, var:

• Slīpēts DNS.
• Ietekmē enzīma topoizomerāzi.
• Interkalējiet molekulā, kas atrodas tuvu fermenta aktīvajai vietai, kamēr DNS-topoizomerāzes komplekss ir stabilizējies.

Pārejoša kompleksa stabilizācija, ko veido DNS saistīšanās ar enzīma katalītiskās vietas tirozīnu, novērš šķelto fragmentu saistīšanos, kas var izraisīt šūnu nāvi.

-Topoizomerāzes inhibitori

Starp savienojumiem, kas kavē topoizomerāzes, ir šādi.

Pretvēža antibiotikas

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

Antraciklīni

Antraciklīni ir vienas no antibiotikām, kas ir viena no efektīvākajām pretvēža zālēm un ar visplašāko spektru. Tos lieto plaušu, olnīcu, dzemdes, kuņģa, urīnpūšļa, krūts, leikēmijas un limfomu vēža ārstēšanai. Ir zināms, ka tā ietekmē topoizomerāzi II, veicot interkalāciju DNS.

Pirmais antraciklīns, kas izolēts no aktinobaktērijām (Streptomyces peucetius), bija daunorubicīns. Pēc tam laboratorijā tika sintezēts doksorubicīns, un mūsdienās lieto arī epirubicīnu un idarubicīnu.

Antrahinoni

Antrahinoni vai antracendioni ir savienojumi, kas iegūti no antracēna, līdzīgi antraciklīniem, kas ietekmē topoizomerāzes II aktivitāti, veicot interkalāciju DNS. Tos lieto metastātiska krūts vēža, ne-Hodžkina limfomas (NHL) un leikēmijas gadījumos.

Šīs zāles tika atrastas dažu kukaiņu, augu (frangula, senna, rabarberi), ķērpju un sēnīšu pigmentos; kā arī hoelītā, kas ir dabīgs minerāls. Atkarībā no devas tie var būt kancerogēni.

Starp šiem savienojumiem mums ir mitoksantrons un tā analogs losoksantrons. Tie novērš ļaundabīgu audzēju šūnu proliferāciju, neatgriezeniski saistoties ar DNS.

Epidofilotoksīni

Podofilotoksīni, piemēram, epidofilotoksīni (VP-16) un teniposīds (VM-26), veido kompleksu ar topoizomerāzi II. Tos cita starpā lieto pret plaušu vēzi, sēklinieku, leikēmiju, limfomām, olnīcu vēzi, krūts karcinomu un ļaundabīgiem intrakraniālajiem audzējiem. Podophyllum notatum un P. peltatum tiek izolēti no augiem.

Kamptotecīna analogi

Kampotecīni ir savienojumi, kas nomāc topoizomerāzi I, ieskaitot irinotekānu, topotekānu un diflomotekānu.

Šie savienojumi ir izmantoti pret resnās zarnas, plaušu un krūts vēzi, un tos dabiski iegūst no ķīniešu un Tibetas cornáceas arboreālās sugas Camptotheca acuminata mizas un lapām.

Dabiska kavēšana

I un II topoizomerāžu struktūras izmaiņas var notikt arī pilnīgi dabiski. Tas var notikt dažu notikumu laikā, kas ietekmē jūsu katalītisko procesu.

Šīs izmaiņas ietver pirimidīna dimēru veidošanos, slāpekļa bāzes neatbilstību un citus notikumus, ko izraisa oksidatīvs stress.

Atsauces

1. Andersons, H., un Roberge, M. (1992). DNS topoizomerāze II: pārskats par tās līdzdalību hromosomu struktūrā, DNS replikācijā, transkripcijā un mitozē. Starptautiskie Cell Biology 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 kavēšanu plaušu vēzē. Vēža bioloģija un terapija, 5 (12): 1600–1607. doi: 10.4161 / cb.5.12.3546
3. Ho, Y.-P., Au-Yeung, SCF un To, KKW (2003). Pretvēža līdzekļi uz platīna bāzes: novatoriskas dizaina stratēģijas un bioloģiskās perspektīvas. Medicīnisko pētījumu pārskati, 23 (5): 633–655. doi: 10.1002 / med.10038
4. Li, T.-K., & Liu, LF (2001). Audzēja šūnu nāve, ko izraisa zāles, kas mērķētas uz topoizomerāzēm. Gada pārskats par farmakoloģiju un toksikoloģiju, 41 (1): 53–77. doi: 10.1146 / annurev.pharmtox.41.1.53
5. Liu, LF (1994). DNS topoizomerāzes: narkotikas, kas mērķē uz topoizomerāzēm. Akadēmiskā prese. 307. lpp
6. Ošerofs, N. un Bjornsti, M. (2001). DNS topoizomerāze. Enzimoloģija un narkotikas. II sējums. Humana Press. 329. lpp.
7. Rotenberga, ML (1997). Topoizomerāzes I inhibitori: pārskatīšana un atjaunināšana. Onkoloģijas žurnāli, 8. (9), 837–855. doi: 10.1023 / a: 1008270717294
8. Raiens B. (2009. gads, 14. decembris). 1. un 2. topoizomerāze. Atgūts no vietnes youtube.com