TOPOIZOMERÁZOK: JELLEMZŐK, FUNKCIÓK, TÍPUSOK ÉS INHIBITOROK - BIOLÓGIA - 2026

A topoizomerázok enzimek izomerázok, amelyek módosítják a dezoxiribonukleinsav (DNS) topológiáját, létrehozva mind feltekercselését, mind pedig szuper-tekercselését göndör formájában.

Ezeknek az enzimeknek különleges szerepe van a DNS torziós stresszének enyhítésében, így fontos folyamatok, például replikációja, a DNS transzkripciója messenger ribonukleinsavvá (mRNS) és a DNS rekombinációja fordulhat elő.

1. ábra: Topoizomeráz II. Forrás: Emw, a Wikimedia Commonsból

A topoizomeráz enzimek mind az eukarióta, mind a prokarióta sejtekben megtalálhatók. Watson és Crick tudósok megjósolták annak létezését, amikor felbecsülték a DNS szerkezetének korlátozásait, amelyek lehetővé teszik az információkhoz való hozzáférést (a nukleotidszekvenciában tárolva).

A topoizomerázok funkcióinak megértése érdekében figyelembe kell venni, hogy a DNS stabil kettős spirál szerkezettel rendelkezik, és a szálok egymás felett vannak feltekerve.

Ezek a lineáris láncok 2-dezoxiribózból állnak, amelyeket 5'-3 'foszfodiészter kötések kötnek, és nitrogéntartalmú bázisokból állnak, mint egy spirállépcső lépcsői.

2. ábra: DNS molekula. Forrás:

A DNS-molekulák topológiai vizsgálata azt mutatta, hogy a torziós stressztől függően különböző konformációkat tudnak felvállalni: egy nyugodt állapottól kezdve a különböző tekercselő állapotokig, amelyek lehetővé teszik a tömörödést.

A különböző konformációjú DNS-molekulákat topoizomereknek nevezzük. Megállapíthatjuk tehát, hogy az I. és a II. Topoizomeráz növelheti vagy csökkentheti a DNS-molekulák torziós stresszét, képezve különféle topoizomerjeiket.

A lehetséges DNS-topoizomerek közül a leggyakoribb konformáció a szuper-tekercs, amely nagyon kompakt. A DNS kettős spirálját azonban topoizomerázokkal is fel kell szabadítani különféle molekuláris folyamatok során.

jellemzők

Általános hatásmechanizmus

Egyes topoizomerázok csak a DNS negatív szuper-tekercseit, vagy mindkét DNS szuper-tekercseit ellazíthatják: pozitív és negatív.

Ha a kör alakú kettős szálú DNS-t a hossztengelyén feltekercselik, és balkezes fordulat (óramutató járásával megegyező irányban) fordul elő, akkor azt negatívan szupertekercselni kell. Ha a fordulás óramutató járásával megegyezően (az óramutató járásával ellentétes irányban) fordul elő, akkor pozitívan be van forralva.

3. ábra: Negatívan szuper-tekercselt, nyugodt és pozitívan szuper-tekercselt kör alakú kettős szálú DNS. Forrás: Fdardel, a Wikimedia Commonsból

Alapvetően a topoizomerázok:

- Megkönnyítse a DNS-szál áthaladását az ellenkező szál (1. típusú topoizomeráz) vágásán.

- Megkönnyítse a teljes kettős spirál áthaladását magán a hasításon vagy egy másik különféle dupla spirálon keresztüli hasításon (II. Típusú topoizomeráz).

Összefoglalva: a topoizomerázok a foszfodiészter kötések lehasításán keresztül hatnak, egy vagy mindkét szálban, amelyek a DNS-t alkotják. Ezután módosítják a kettős spirál (topoizomeráz I) vagy két kettős spirál (topoizomeráz II) szálának tekercselési állapotát, hogy végül újra megköthessék vagy megköthessék a hasított végeket.

Topoizomerázok és a sejtciklus

Noha a topoizomeráz I olyan enzim, amely nagyobb aktivitást mutat az S fázisban (DNS-szintézis), nem tekintjük függetlennek a sejtciklus fázisától.

Míg a topoizomeráz II aktivitás aktívabb a sejtnövekedés logaritmikus fázisában és a gyorsan növekvő daganatok sejtjeiben.

Jellemzők

A topoizomerázokat kódoló gének megváltoztatása a sejtekre halálosak, bizonyítva ezen enzimek fontosságát. A topoizomerázok részvételével járó folyamatok között vannak:

A genetikai anyag kompakt tárolása

A topoizomerázok kompakt módon megkönnyítik a genetikai információ tárolását, mivel előállítják a DNS tekercselését és szupertekercselését, lehetővé téve, hogy viszonylag kis mennyiségben nagy mennyiségű információ található meg.

Hozzáférés a genetikai információkhoz

Topoizomerázok és egyedi jellemzőik nélkül lehetetlen lenne hozzáférni a DNS-ben tárolt információkhoz. Ennek oka az a tény, hogy a topoizomerázok a replikációs, transzkripciós és rekombinációs folyamatokban periodikusan felszabadítják a torziós stresszt, amelyet a kettős spirál spirálban generálnak annak lazulásakor.

4. ábra: DNS replikáció. Lásd a topoizomerázt a DNS hajtű elején. Forrás: LadyofHats fordította Miguelsierra, a Wikimedia Commons segítségével

Ha az ezen folyamatok során keletkező torziós stresszt nem szabadítják fel, hibás génexpresszió léphet fel, megszakadhat a kör alakú DNS vagy a kromoszóma, sőt a sejthalál is előfordulhat.

A gén expressziójának szabályozása

A DNS-molekula konformációs változásai (a háromdimenziós szerkezetben) specifikus régiókat fednek ki kívülről, amelyek kölcsönhatásba léphetnek a DNS-kötő fehérjékkel. Ezeknek a fehérjéknek a gén expresszióját szabályozó funkciója van (pozitív vagy negatív).

5. ábra. A gén expressziójának szabályozó fehérje, ebben az esetben megakadályozza bizonyos gének expresszióját. Zephyris az angol nyelvű Wikipedia-ban

Így a DNS tekercselő állapota, amelyet a topoizomerázok hatására generálnak, befolyásolja a gén expressziójának szabályozását.

A topoizomeráz II sajátosságai

A topoizomeráz II szükséges a kromatidok összeállításához, a kromoszómák kondenzációjához és dekondenzációjához, valamint a lányos DNS-molekulák szegregációjához a mitózis során.

Ez az enzim szintén szerkezeti fehérje és az interfázis során a sejtmag-mátrix egyik fő alkotóeleme.

Topoizomerázok típusai

Kétféle topoizomeráz típus létezik, attól függően, hogy képesek-e hasítani a DNS egy vagy két szálát.

-Topoizomerázok I. típusú

A monomer

Az I. típusú topoizomerázok olyan monomerek, amelyek enyhítik a negatív és pozitív szuper-tekercseket, amelyeket a hajcsavar mozgatásával előállítunk a transzkripció során, valamint a replikációs és gén-rekombinációs folyamatok során.

Az I. típusú topoizomerázok feloszthatók 1A és 1B típusokra. Ez utóbbi az emberben található, és felelõs a szuperhûtött DNS relaxálásáért.

Tirozin az aktív helyén

Az 1B topoizomeráz (Top1B) 765 aminosavból áll, amelyek 4 specifikus doménre vannak felosztva. Ezen domének egyikében erősen konzerválódott terület található a tirozin aktív hely (Tyr7233). Az összes topoizomeráz tirozint tartalmaz az aktív helyükön, és alapvető szerepet játszik a teljes katalitikus folyamatban.

A cselekvés mechanizmusa

Az aktív tirozin kovalens kötést képez a DNS-szál 3'-foszfát végével, elvágva és tartva az enzimhez kötődve, míg a DNS egy másik szála áthalad a hasításon.

A másik DNS szál áthaladása a megosztott szálon az enzim konformációs transzformációjának köszönhetően érhető el, amely a DNS kettős spiráljának megnyitását eredményezi.

Ezután az I topoizomeráz visszatér kezdeti konformációjához, és újra megköti a hasított végeket. Ez egy olyan eljárás során fordul elő, amely a DNS-lánc lebontását eredményezi, az enzim katalitikus helyén. Végül a topoizomeráz felszabadítja a DNS-szálat.

A DNS ligálódási sebessége nagyobb, mint az ürítés sebessége, ezáltal biztosítva a molekula stabilitását és a genom integritását.

Összefoglalva: az I. típusú topoizomeráz katalizálja:

1. A szál lehasadása.
2. A másik szál áthaladása a hasításon.
3. A levágott végek ligálása.

-Típus II topoizomerázok

dimer

A II. Típusú topoizomerázok dimer enzimek, amelyek hasítják a DNS mindkét szálát, enyhítve ezáltal a transzkripció és más sejtfolyamatok során keletkező szupercsíkokat.

Mg függő

Ezeknek az enzimeknek magnéziumra (Mg ⁺⁺) és az ATP-trifoszfát-kötés megszakításából származó energiára van szükségük, amelyet az ATPáznak köszönhetően kihasználnak.

Két aktív hely tirozinnal

Az emberi II topoizomerázok nagyon hasonlóak az élesztő (Saccharomyces cerevisiae), amely két monomerből áll (A és B szubfragmensek). Mindegyik monomer rendelkezik ATPáz doménnel, és egy részfragmensben az aktív 782 tirozin helyét, amelyhez a DNS kötődhet. Így a DNS két szála kötődik a topoizomeráz II-hez.

A cselekvés mechanizmusa

A topoizomeráz II hatásmechanizmusa ugyanaz, mint az I topoizomeráznál leírtaknál, figyelembe véve, hogy a DNS két szálát hasítják, és nem csak egyet.

A II topoizomeráz aktív helyén egy DNS kettős hélix fragmense, az úgynevezett „G fragmentum” stabilizálódik (tirozinnal történő kovalens kötés révén). Ezt a fragmenst kivágjuk, és kovalens kötésekkel az aktív helyhez tartjuk.

Az enzim ezután lehetővé teszi egy másik, „T fragmentumnak” nevezett DNS-fragmentum áthaladását a hasított „G” fragmensen, az enzim konformációs változásának köszönhetően, amely az ATP hidrolízisétől függ.

A topoizomeráz II megköti a "G fragmens" két végét, és végül visszanyeri kezdeti állapotát, felszabadítva a "G" fragmenst. A DNS ezután ellazítja a torziós stresszt, lehetővé téve a replikációt és transzkripciót.

-Emberi topoizomerázok

Az emberi genom öt topoizomerázzal rendelkezik: top1, top3α, top3β (I. típusú); és top2α, top2β (II típusú). A legrelevánsabb emberi topoizomerázok a top1 (IB típusú topoizomeráz) és a 2α (II típusú topoizomeráz).

Topoizomeráz inhibitorok

-Topoizomerázok, mint a kémiai támadás célpontjai

Mivel a topoizomerázok által katalizált folyamatok szükségesek a sejtek túléléséhez, ezek az enzimek jó támadási célpontjai a rosszindulatú sejtek befolyásolására. Ezért a topoizomerázok fontosnak tekinthetők számos emberi betegség kezelésében.

A topoizomerázokkal kölcsönhatásba lépő gyógyszereket jelenleg kemoterápiás anyagként vizsgálják a rákos sejtek (a test különböző szerveiben) és a patogén mikroorganizmusok ellen.

- A gátlás típusai

A topoizomeráz aktivitást gátló gyógyszerek:

• Beágyazva a DNS-be.
• Befolyásolja a topoizomeráz enzimet.
• Interkalálhat az enzim aktív helyéhez közeli molekulában, miközben a DNS-topoizomeráz komplex stabilizálódik.

A DNSnek az enzim katalitikus helyének tirozinnal történő kötésével képződő átmeneti komplex stabilizálása megakadályozza a hasított fragmensek kötődését, ami sejthalálhoz vezethet.

-Topoizomeráz-gátló gyógyszerek

A topoizomerázokat gátló vegyületek között a következők találhatók.

Tumorellenes antibiotikumok

Az antibiotikumokat rák ellen használják, mivel megakadályozzák a tumorsejtek növekedését, általában beavatkozva a DNS-be. Ezeket gyakran daganatellenes (rákos) antibiotikumoknak nevezik. Az Actinomycin D például befolyásolja a topoizomeráz II-t, és gyermekekben és rabdomioszarkomákban alkalmazzák Wilms-daganatokban.

Az antraciklineknek

Az antraciklinek az antibiotikumok közé tartoznak, az egyik leghatékonyabb rákellenes gyógyszer és a legszélesebb spektrummal. A tüdő, petefészek, méh, gyomor, hólyag, mell, leukémia és limfómák daganatainak kezelésére szolgálnak. Ismert, hogy a DNS interkalációjával befolyásolja a topoizomeráz II-t.

Az első aktinobaktériumból (Streptomyces peucetius) izolált antraciklin daunorubicin volt. Ezt követően a doxorubicint szintetizálták a laboratóriumban, az epirubicint és az idarubicint ma is használják.

Anthraquinon

Az antrakinonok vagy az antracendionok olyan antracénből származó vegyületek, amelyek hasonlóak az antracikinekhez, és amelyek a DNS interkalációjával befolyásolják a topoizomeráz II aktivitást. Metasztatikus emlőrák, non-Hodgkin limfóma (NHL) és leukémia kezelésére használják.

Ezeket a gyógyszereket találtak egyes rovarok, növények (frangula, senna, rebarbara), zuzmók és gombák pigmentjeiben; valamint a hoelitben, amely természetes ásvány. Az adagotól függően rákkeltő lehetnek.

Ezen vegyületek között van a mitoxantrone és analógja, a losoxantrone. Ezek megakadályozzák a rosszindulatú tumorsejtek proliferációját, és visszafordíthatatlanul kötődnek a DNS-hez.

Epidophyllotoxins

A podofillotoxinok, például az epidofillotoxinok (VP-16) és a tenipozid (VM-26) komplexet képeznek a topoizomeráz II-vel. Ezeket többek között tüdőrák, herék, leukémia, limfómák, petefészekrák, emlőkarcinóma és rosszindulatú intrakraniális daganatok ellen alkalmazzák. A Podophyllum notatum és a P. peltatum növényeket izolálják.

Kamptotecin analógok

A kamptotecinek olyan vegyületek, amelyek gátolják a topoizomerázt I, ide értve az irinotekánt, a topotekánt és a diflomotekánt.

Ezeket a vegyületeket vastagbél-, tüdő- és emlőrák elleni küzdelemben alkalmazták, és természetesen a kínai és a tibeti kukoricafélék Camptotheca acuminata arborális fajának kéregéből és leveleiből nyerik őket.

Természetes gátlás

Az I. és a II. Topoizomeráz szerkezeti változásai természetesen megtörténhetnek. Ez történhet olyan események során, amelyek befolyásolják a katalitikus folyamatot.

Ezek a változások magukban foglalják a pirimidin dimerek képződését, a nitrogén-bázis eltéréseket és az oxidatív stressz által okozott egyéb eseményeket.

Irodalom

1. Anderson, H. és Roberge, M. (1992). DNS topoizomeráz II: A kromoszóma szerkezetében, a DNS replikációjában, a transzkripcióban és a mitózisban való részvételének áttekintése. Cell Biology International Reports, 16 (8): 717–724. doi: 10.1016 / s0309-1651 (05) 80016-5
2. Chhatriwala, H., Jafri, N., és Salgia, R. (2006). A topoizomeráz gátlás áttekintése a tüdőrákban. Cancer Biology & Therapy, 5 (12): 1600–1607. doi: 10,4161 / kb.5.12.3546
3. Ho, Y.-P., Au-Yeung, SCF és To, KKW (2003). Platinum-alapú rákellenes szerek: Innovatív tervezési stratégiák és biológiai perspektívák. Medicinal Research Reviews, 23 (5): 633–655. doi: 10.1002 / med.10038
4. Li, T.K., és Liu, LF (2001). A topoizomerázt célzó gyógyszerek által kiváltott tumorsejt halál. A farmakológia és a toxikológia éves áttekintése, 41 (1): 53–77. doi: 10.1146 / annurev.pharmtox.41.1.53
5. Liu, LF (1994). DNS-topoizomerázok: Topoizomeráz-célzók. Academic Press. 307. oldal
6. Osheroff, N. és Bjornsti, M. (2001). DNS topoizomeráz. Enzimológia és gyógyszerek. II. Kötet Humana Press. 329. oldal
7. Rothenberg, ML (1997). A topoizomeráz I gátlók: áttekintés és frissítés Annals of Oncology, 8 (9), 837–855. doi: 10.1023 / a: 1008270717294
8. Ryan B. (2009, december 14). 1. és 2. topoizomeráz.. Helyreállítva a youtube.com webhelyről