Ciri-ciri, fungsi, jenis dan perencat Topoisomerases



The topoisomerases adalah sejenis enzim isomerase yang mengubah suai topologi asid deoksiribonukleik (DNA), menghasilkan kedua-duanya yang menanggalkannya sebagai penggulungan dan penggantian.

Enzim-enzim ini mempunyai peranan khusus dalam melegakan tekanan kilasan dalam DNA supaya proses penting seperti replikasi, transkripsi DNA dalam ribonucleic acid messenger (mRNA) dan rekombinasi DNA boleh berlaku..

Enzim topoisomerase hadir di kedua-dua sel eukariotik dan prokariotik. Kewujudannya telah diramalkan oleh saintis Watson dan Crick, ketika menilai batasan-batasan struktur DNA yang dibentangkan untuk membolehkan akses kepada maklumatnya (disimpan dalam urutan nukleotida).

Untuk memahami fungsi topoisomerases, harus dipertimbangkan bahawa DNA mempunyai struktur helix ganda yang stabil, dengan rantainya digulung satu sama lain.

Rantai linier ini dibentuk oleh 2-deoxyribose yang disertai dengan ikatan fosfodiester 5'-3 ', dan asas nitrogen di pedalaman mereka, seperti langkah-langkah tangga spiral.

Kajian topologi molekul DNA telah menunjukkan bahawa mereka dapat menganggap beberapa pengubahan bergantung pada ketegangan kilasan mereka: dari keadaan santai, ke keadaan berlainan yang membiarkan pemadatan mereka.

Molekul DNA dengan pengubahan yang berbeza dipanggil topoisomer. Oleh itu, kita boleh menyimpulkan bahawa topoisomerases I dan II, boleh meningkatkan atau mengurangkan ketegangan kilasan molekul DNA, membentuk topoisomeres berbeza.

Di antara topoisomer DNA yang mungkin, penyesuaian yang paling biasa adalah supercoiling, yang sangat padat. Walau bagaimanapun, heliks ganda DNA mesti juga tidak terkawal oleh topoisomerases semasa beberapa proses molekul.

Indeks

  • 1 Ciri-ciri
    • 1.1 Mekanisme tindakan umum
    • 1.2 Topoisomerase dan kitaran sel
  • 2 Fungsi
    • 2.1 Penyimpanan bahan genetik yang padat
    • 2.2 Akses kepada maklumat genetik
    • 2.3 Peraturan ekspresi gen
    • 2.4 Kepentingan topoisomerase II
  • 3 Jenis topoisomerases
    • 3.1-Topoisomerases jenis I
    • 3.2 -Topoisomerases jenis II
    • 3.3 - Topoisomerases manusia
  • 4 Inhibitor Topoisomerase
    • 4.1-Topoisomerases sebagai sasaran serangan kimia
    • 4.2-Jenis perencatan
    • 4.3 - Penyalahgunaan dadah Topoisomerase
  • 5 Rujukan

Ciri-ciri

Mekanisme tindakan am

Sesetengah topoisomerase boleh melonggarkan hanya supercoils DNA negatif, atau kedua-dua supercoil DNA: positif dan negatif.

Sekiranya DNA bulat berganda berlipat ganda pada paksi longitudinal dan giliran tangan kiri berlaku (mengikut arah jam), dikatakan menjadi supercoiled negatif. Sekiranya gilirannya mengikut arah jam (berlawanan arah arah jarum jam), ia bersifat super-bergelung.

Pada asasnya, topoisomerases boleh:

-Memudahkan laluan satu helai DNA melalui pemotongan dalam helai bertentangan (topoisomerase type I).

-Memudahkan laluan helix ganda lengkap melalui perpecahan itu sendiri, atau melalui perpecahan dalam helix ganda yang berbeza (topoisomerase type II).

Secara ringkas, topoisomerases bertindak melalui pembubaran ikatan fosfodiester, dalam satu atau kedua-dua helai yang membentuk DNA. Kemudian ubah keadaan penggulungan helai dua helix (topoisomerase I) atau dua heliks ganda (topoisomerase II), untuk akhirnya kembali untuk mengikat atau melambungkan ujung-ujungnya.

Topoisomerases dan kitaran sel

Walaupun topoisomerase I adalah enzim yang menunjukkan aktiviti yang lebih besar semasa fasa S (sintesis DNA), ia tidak dianggap bergantung kepada fasa kitaran sel.

Walaupun aktiviti topoisomerase II lebih aktif semasa fasa logaritmik pertumbuhan sel dan dalam sel-sel tumor berkembang pesat.

Fungsi

Perubahan gen yang mengodkan topoisomerase adalah mematikan untuk sel-sel, menunjukkan kepentingan enzim-enzim ini. Antara proses di mana topoisomerases mengambil bahagian, adalah:

Penyimpanan padat bahan genetik

Topoisomerases memudahkan penyimpanan maklumat genetik secara kompak, kerana ia menghasilkan pendauran DNA dan supercoiling, yang membolehkan sejumlah besar maklumat dapat dijumpai dalam jumlah yang relatif kecil.

Akses kepada maklumat genetik

Sekiranya tiada topoisomerases dan ciri-ciri unik mereka, adalah mustahil untuk mengakses maklumat yang disimpan dalam DNA. Ini kerana topoisomerases secara berkala melepaskan ketegangan dengan berpusing yang dijana dalam helix dua kali ganda DNA, semasa ia berehat, dalam proses replikasi, transkripsi dan rekombinasi.

Jika ketegangan yang disebabkan oleh kilasan yang dihasilkan semasa proses ini tidak dilepaskan, ia dapat menghasilkan ungkapan gen yang cacat, gangguan DNA atau kromosom bulat, bahkan menghasilkan kematian sel.

Peraturan ekspresi gen

Perubahan konformasi (dalam struktur tiga dimensi) molekul DNA mendedahkan kawasan tertentu ke luar, yang boleh berinteraksi dengan protein yang mengikat DNA. Protein ini mempunyai fungsi pengawalseliaan ekspresi gen (positif atau negatif).

Oleh itu, keadaan penggulungan DNA, yang dihasilkan oleh tindakan topoisomerases, memberi kesan kepada peraturan ekspresi gen.

Ketumpatan topoisomerase II

Topoisomerase II diperlukan untuk pemasangan kromatid, pemeluwapan dan penguraian kromosom dan pengasingan anak perempuan DNA molekul semasa mitosis.

Enzim ini juga merupakan protein struktur dan salah satu unsur utama matriks nukleus sel semasa interphase.

Jenis topoisomerases

Terdapat dua jenis topoisomerases utama bergantung kepada sama ada mereka dapat memecahkan satu atau dua helai DNA.

-Jenis Topoisomerases I

Monomeric                 

Tipe topoisomerase I adalah monomer yang meredakan supercoils negatif dan positif, yang dihasilkan oleh pergerakan garpu semasa transkripsi, dan semasa proses replikasi dan gabungan semula gen.

Jenis topoisomerases I boleh dibahagikan kepada jenis 1A dan jenis 1B. Yang terakhir adalah yang dijumpai pada manusia, dan bertanggungjawab untuk melegakan DNA supercoiled.

Tyrosine di tapak aktifnya

Topoisomerase 1B (Top1B) terdiri daripada 765 asid amino dibahagikan kepada 4 domain tertentu. Salah satu domain ini mempunyai kawasan yang sangat lestari yang mengandungi tapak aktif dengan tirosin (Tyr7233). Semua topoisomerase hadir di tapak aktif mereka dengan tirosin dengan peranan penting dalam keseluruhan proses pemangkin.

Mekanisme tindakan

Tirosin dari tapak aktif membentuk ikatan kovalen dengan hujung 3'-fosfat strand DNA, memotongnya dan mengekalkannya pada enzim, sambil melepaskan satu lagi DNA melalui penuangan.

Petikan DNA strain lain melalui helai yang disempurnakan dicapai melalui transformasi konformasi enzim, yang menghasilkan pembukaan helix double DNA.

Kemudian topoisomerase saya kembali ke pengesahan awalnya dan mengikat semula hujung yang terlepas. Ini berlaku melalui proses terbalik kepada pecahan rantai DNA, di tapak pemangkin enzim. Akhirnya, topoisomerase melepaskan helai DNA.

Kadar ligation DNA adalah lebih tinggi daripada kadar excision, yang memastikan kestabilan molekul dan integriti genom.

Ringkasnya, topoisomerase type I catalyzes:

  1. Penghapusan untaian.
  2. Laluan jalur lain melalui perpecahan.
  3. Ligation perpecahan berakhir.

-Jenis Topoisomerases II

Dimetri

Topoisomerases Type II adalah enzim dimerik, yang memecahkan kedua-dua helai DNA, dengan itu menenangkan supercoils yang dihasilkan semasa transkripsi dan proses selular lain.

Tanggungan Mg++ dan ATP

Enzim-enzim ini memerlukan magnesium (Mg++) dan juga memerlukan tenaga yang datang dari pecahan pautan ATP trifosfat, yang mereka memanfaatkan terima kasih kepada ATPase.

Dua tapak aktif dengan tirosin

Topoisomerases II manusia sangat serupa dengan ragi (Saccharomyces cerevisiae), yang terdiri daripada dua monomer (subfragment A dan B). Setiap monomer mempunyai domain ATPase, dan dalam subfragment tapak aktif tyrosine 782, yang mana DNA dapat mengikat. Oleh itu, dua helai DNA boleh disambungkan ke topoisomerase II.

Mekanisme tindakan

Mekanisme tindakan topoisomerase II adalah sama seperti yang dijelaskan untuk topoisomerase I, mengingat bahawa dua rantai DNA dipotong dan bukan hanya satu.

Di tapak topoisomerase II yang aktif, serpihan protein stabil (melalui covalent mengikat dengan tirosin). helix dua kali DNA, dipanggil "fragmen G". Serpihan ini dipotong dan terus terikat ke tapak aktif oleh ikatan kovalen.

Kemudian, enzim itu membolehkan satu lagi fragmen DNA, yang dipanggil "fragmen T", untuk melewati pecahan "G" yang dipotong, berkat perubahan konformasi enzim, yang bergantung kepada hidrolisis ATP.

Topoisomerase II mengikat kedua ujung "fragmen G" dan akhirnya pulih semula keadaannya, melepaskan pecahan "G". Kemudian, DNA melegakan ketegangan kilasan, membolehkan proses replikasi dan transkripsi berlaku.

-Topoisomerases manusia

Genom manusia mempunyai lima topologi: top1, top3α, top3β (jenis I); dan top2α, top2β (jenis II). Topoisomerase manusia yang paling berkaitan adalah top1 (topoisomerase type IB) dan 2α (topoisomerase type II).

Inhibitor Topoisomerase

-Topoisomerases sebagai sasaran serangan kimia

Kerana proses yang dikatalisasi oleh topoisomerase diperlukan untuk kelangsungan hidup sel-sel, enzim ini adalah sasaran serangan yang baik untuk mempengaruhi sel-sel malignan. Untuk ini, topoisomerase dianggap penting dalam rawatan banyak penyakit manusia.

Dadah yang berinteraksi dengan topoisomerases kini dipelajari secara meluas sebagai bahan kemoterapi terhadap sel-sel kanser (dalam organ-organ yang berlainan badan) dan mikroorganisma patogen.

-Jenis perencatan

Ubat-ubatan yang menghambat aktiviti Topoisomerase boleh:

  • Pengambilan ke dalam DNA.
  • Mempengaruhi enzim topoisomerase.
  • Interleave ke molekul berhampiran tapak aktif enzim sementara kompleks DNA-topoisomerase stabil.

Penstabilan kompleks sementara yang dibentuk oleh pengikatan DNA ke tyrosin tapak pemangkin enzim, menghalang kesatuan serpihan yang terkena, yang boleh mengakibatkan kematian sel.

-Inhibitor topoisomerases

Antara sebatian yang menghalang topoisomerases, adalah berikut.

Antibiotik antitumor

Antibiotik digunakan terhadap kanser, kerana ia menghalang pertumbuhan sel-sel tumor, biasanya dengan mengganggu DNA mereka. Mereka sering dipanggil antibiotik antineoplastik (terhadap kanser). Actinomycin D, misalnya, mempengaruhi topoisomerase II dan digunakan dalam tumor Wilms pada kanak-kanak dan rhabdomyosarcomas.

Anthracyclines

Anthracyclines adalah, antara antibiotik, ubat antikanser yang paling berkesan dan spektrum yang paling luas. Ia digunakan dalam rawatan kanser paru-paru, ovari, rahim, perut, pundi kencing, payudara, leukemia dan limfoma. Ia diketahui mempengaruhi topoisomerase II oleh interkalasi dalam DNA.

Anthracycline pertama yang diasingkan dari actinobacteria (Streptomyces peucetius) adalah daunorubicin. Selepas itu, doxorubicin disintesis di makmal, dan epirubicin dan idarubicin kini juga digunakan..

Anthraquinones

Anthraquinones atau anthracenediones adalah sebatian yang berasal dari anthracene, sama dengan anthracyclines, yang mempengaruhi aktiviti topoisomerase II dengan interkalasi dalam DNA. Ia digunakan untuk kanser payudara metastatik, limfoma bukan Hodgkin (NHL) dan leukemia.

Ubat-ubatan ini didapati dalam pigmen beberapa serangga, tumbuh-tumbuhan (frángula, senna, rhubarb), lichens dan kulat; serta di hoelita, yang merupakan mineral semulajadi. Bergantung pada dos mereka, mereka boleh menjadi karsinogenik.

Antara sebatian ini, kita mempunyai mitoxantrone dan losoxantrone analognya. Ini menghalang percambahan sel-sel tumor malignan, yang mengikat DNA secara tidak terulang.

Epidofilotoxins

Podophyllotoxins, seperti epidofilotoxins (VP-16) dan teniposide (VM-26), membentuk kompleks dengan topoisomerase II. Mereka digunakan terhadap kanser paru-paru, testikular, leukemia, limfoma, kanser ovari, karsinoma payudara dan tumor intracranial ganas, antara lain. Mereka terpencil dari tumbuh-tumbuhan Podophyllum notatum dan P. peltatum.

Analogi Camptothecins

Campotecin adalah sebatian yang menghalang topoisomerase I, dan di antara mereka adalah irinotecan, topotecan dan diflomotecan.

Sebatian ini telah digunakan terhadap kanser kolon, paru-paru dan payudara, dan diperoleh secara semula jadi dari kulit dan daun spesies arboreal Camptotheca acuminata buah pic Cina dan Tibet.

Inhibisi semulajadi

Perubahan struktur topoisomerases I dan II juga boleh berlaku secara semulajadi. Ini boleh berlaku semasa beberapa peristiwa yang mempengaruhi proses pemangkinnya.

Di antara perubahan ini, kita dapat menyebut pembentukan dimer pirimidina, ketidakpadanan asas nitrogen dan kejadian lain yang disebabkan oleh tekanan oksidatif.

Rujukan

  1. Anderson, H., & Roberge, M. (1992). Topoisomerase DNA II: Kajian terhadap penglibatannya dalam struktur kromosom, replikasi DNA, transkripsi dan mitosis. Laporan Biologi Sel Antarabangsa, 16 (8): 717-724. doi: 10.1016 / s0309-1651 (05) 80016-5
  2. Chhatriwala, H., Jafri, N., & Salgia, R. (2006). Kajian semula perencatan topoisomerase dalam kanser paru-paru. Biologi & Terapi Kanser, 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). Ejen antikanser berasaskan platinum: Strategi reka bentuk inovatif dan perspektif biologi. Kajian Penyelidikan Ubat, 23 (5): 633-655. doi: 10.1002 / med.10038
  4. Li, T.-K., & Liu, L. F. (2001). Kematian sel tumor yang disebabkan oleh ubat penargetan Topoisomerase. Kajian Tahunan Farmakologi dan Toksikologi, 41 (1): 53-77. doi: 10.1146 / annurev.pharmtox.41.1.53
  5. Liu, L. F. (1994). Topoisomerases DNA: Dadah Penargetan Topoisomerase. Akademik Akhbar. ms 307
  6. Osheroff, N. dan Bjornsti, M. (2001). Topoisomerase DNA. Enzimologi dan Dadah. Vol. II. Humana Press. ms 329.
  7. Rothenberg, M. L. (1997). Inhibitor Topoisomerase I: Kajian dan pengemaskinian. Annals of Oncology, 8 (9), 837-855. doi: 10.1023 / a: 1008270717294
  8. Ryan B. (2009, 14 Disember). Topoisomerase 1 dan 2. [Fail video]. Diambil dari youtube.com