TOPOISOMERASEN: KENMERKEN, FUNCTIES, TYPEN EN REMMERS - BIOLOGIE - 2026

De topoisomerasen zijn enzymen, isomerasen, een type dat de topologie van deoxyribonucleïnezuur (DNA) wijzigt, waardoor zowel het afwikkelen als het supercoiling ervan wordt gegenereerd als het omkrult.

Deze enzymen spelen een specifieke rol bij het verlichten van torsiestress op DNA, zodat belangrijke processen zoals de replicatie, transcriptie van DNA in messenger ribonucleïnezuur (mRNA) en recombinatie van DNA kunnen plaatsvinden.

Figuur 1. Topoisomerase II. Bron: Emw, van Wikimedia Commons

Topoisomerase-enzymen zijn aanwezig in zowel eukaryote als prokaryote cellen. Het bestaan ​​ervan werd voorspeld door wetenschappers Watson en Crick bij het evalueren van de beperkingen die de structuur van DNA bood om toegang te krijgen tot de informatie (opgeslagen in de nucleotidesequentie).

Om de functies van topoisomerasen te begrijpen, moet worden bedacht dat DNA een stabiele dubbele helixstructuur heeft, met zijn strengen over elkaar gewikkeld.

Deze lineaire ketens bestaan ​​uit 2-deoxyribose verbonden door 5'-3'-fosfodiësterbindingen en stikstofhoudende basen aan de binnenkant, zoals de sporten van een wenteltrap.

Figuur 2. DNA-molecuul. Bron: https://es.m.wikipedia.org/wiki/Archivo:3DScience_DNA_structure_labeled_a.jpg

De topologische studie van DNA-moleculen heeft aangetoond dat ze verschillende conformaties kunnen aannemen, afhankelijk van hun torsiespanning: van een ontspannen toestand tot verschillende oproltoestanden die hun verdichting mogelijk maken.

DNA-moleculen met verschillende conformaties worden topoisomeren genoemd. We kunnen dus concluderen dat topoisomerasen I en II de torsiespanning van DNA-moleculen kunnen verhogen of verlagen, waarbij ze hun verschillende topoisomeren vormen.

Onder de mogelijke DNA-topoisomeren is de meest voorkomende conformatie de supercoil, die erg compact is. De dubbele DNA-helix moet echter ook worden afgewikkeld door topoisomerasen tijdens verschillende moleculaire processen.

kenmerken

Algemeen werkingsmechanisme

Sommige topoisomerasen kunnen alleen negatieve supercoils van DNA ontspannen, of beide supercoils van DNA: positief en negatief.

Als het circulaire dubbelstrengs DNA op zijn lange as wordt afgewikkeld en er een linkshandige draai (met de klok mee) plaatsvindt, wordt gezegd dat het negatief supercoiled is. Als de draai met de klok mee is (tegen de klok in), is deze positief overrollen.

Figuur 3. Negatief supercoil, ontspannen en positief supercoil circulair dubbelstrengs DNA. Bron: Fdardel, van Wikimedia Commons

In principe kunnen topoisomerasen:

-Vereenvoudig de doorgang van een DNA-streng door een snede in de tegenoverliggende streng (type I topoisomerase).

-De doorgang van een volledige dubbele helix door een splitsing zelf, of door een splitsing in een andere andere dubbele helix (type II topoisomerase) vergemakkelijken.

Samenvattend werken topoisomerasen door de splitsing van fosfodiësterbindingen, in een of beide strengen waaruit het DNA bestaat. Vervolgens wijzigen ze de oproltoestand van de strengen van een dubbele helix (topoisomerase I) of van twee dubbele helices (topoisomerase II), om uiteindelijk de gespleten uiteinden opnieuw te binden of te binden.

Topoisomerasen en de celcyclus

Hoewel topoisomerase I een enzym is dat een hogere activiteit vertoont tijdens de S-fase (DNA-synthese), wordt het niet beschouwd als afhankelijk van een fase van de celcyclus.

Terwijl de topoisomerase II-activiteit actiever is tijdens de logaritmische fase van celgroei en in cellen van snelgroeiende tumoren.

Kenmerken

De verandering van de genen die coderen voor topoisomerasen is dodelijk voor cellen, wat het belang van deze enzymen aantoont. Onder de processen waaraan topoisomerasen deelnemen, zijn:

Compacte opslag van genetisch materiaal

Topoisomerasen vergemakkelijken de opslag van genetische informatie op een compacte manier, omdat ze het oprollen en supercoilen van DNA genereren, waardoor een grote hoeveelheid informatie in een relatief klein volume kan worden gevonden.

Toegang tot genetische informatie

Zonder topoisomerasen en hun unieke kenmerken zou toegang tot informatie die is opgeslagen in DNA onmogelijk zijn. Dit is te wijten aan het feit dat topoisomerasen periodiek de torsiespanning loslaten die wordt gegenereerd in de dubbele DNA-helix, tijdens het afwikkelen, in de processen van replicatie, transcriptie en recombinatie.

Figuur 4. DNA-replicatie. Zie topoisomerase aan het begin van de DNA-haarspeldbocht. Bron: LadyofHats vertaald door Miguelsierra, via Wikimedia Commons

Als de torsiespanning die tijdens deze processen wordt gegenereerd, niet wordt opgeheven, kan een defecte genexpressie optreden, het circulaire DNA of chromosoom onderbreken en zelfs celdood veroorzaken.

Regulatie van genexpressie

Conformatieveranderingen (in de driedimensionale structuur) van het DNA-molecuul stellen specifieke gebieden aan de buitenkant bloot, die kunnen interageren met DNA-bindende eiwitten. Deze eiwitten hebben een regulerende functie van genexpressie (positief of negatief).

Figuur 5. Regulerend eiwit van genexpressie, in dit geval verhindert het de expressie van bepaalde genen. Zephyris op de Engelstalige Wikipedia

De oproltoestand van DNA, gegenereerd door de werking van topoisomerasen, beïnvloedt dus de regulatie van genexpressie.

Bijzonderheden van topoisomerase II

Topoisomerase II is nodig voor de assemblage van chromatiden, de condensatie en decondensatie van chromosomen en de segregatie van dochter-DNA-moleculen tijdens mitose.

Dit enzym is ook een structureel eiwit en een van de hoofdbestanddelen van de celkernmatrix tijdens interfase.

Soorten topoisomerasen

Er zijn twee hoofdtypen topoisomerasen, afhankelijk van of ze een of twee strengen DNA kunnen splitsen.

-Topoisomerasen type I

Monomeer

Type I topoisomerasen zijn monomeren die negatieve en positieve supercoils verlichten, die worden geproduceerd door haarspeldbeweging tijdens transcriptie en tijdens de processen van replicatie en genrecombinatie.

Type I topoisomerasen kunnen worden onderverdeeld in type 1A en type 1B. De laatste zijn die die bij mensen worden aangetroffen en ze zijn verantwoordelijk voor het ontspannen van supercoiled DNA.

Tyrosine op zijn actieve site

Topoisomerase 1B (Top1B) bestaat uit 765 aminozuren verdeeld over 4 specifieke domeinen. Een van deze domeinen heeft een sterk geconserveerd gebied met de actieve tyrosine-plaats (Tyr7233). Alle topoisomerasen presenteren een tyrosine op hun actieve plaats met een fundamentele rol in het gehele katalytische proces.

Werkingsmechanisme

De actieve plaats tyrosine vormt een covalente binding met het 3'-fosfaatuiteinde van de DNA-streng, snijdt het af en houdt het vast aan het enzym, terwijl een andere DNA-streng door de splitsing gaat.

De passage van de andere DNA-streng door de gespleten streng wordt bereikt dankzij een conformationele transformatie van het enzym, die de opening van de dubbele DNA-helix produceert.

Dan keert topoisomerase I terug naar zijn oorspronkelijke conformatie en bindt de gespleten uiteinden weer. Dit gebeurt door een proces dat omgekeerd is aan de afbraak van de DNA-keten, op de katalytische plaats van het enzym. Ten slotte geeft topoisomerase de DNA-streng vrij.

De snelheid van DNA-ligatie is hoger dan de snelheid van excisie, waardoor de stabiliteit van het molecuul en de integriteit van het genoom worden gegarandeerd.

Samenvattend katalyseert type I topoisomerase:

1. Het decolleté van een streng.
2. De passage van de andere streng door het decolleté.
3. Ligatie van de gespleten uiteinden.

-Type II topoisomerasen

Dimeer

Type II topoisomerasen zijn dimere enzymen, die beide DNA-strengen splitsen en zo de supercoils ontspannen die worden gegenereerd tijdens transcriptie en andere cellulaire processen.

Mg afhankelijk

Deze enzymen hebben magnesium (Mg ⁺⁺ ) nodig en hebben ook de energie nodig die vrijkomt bij het verbreken van de ATP-trifosfaatbinding, waarvan ze profiteren dankzij een ATPase.

Twee actieve sites met tyrosine

Humane topoisomerasen II lijken sterk op die van gist (Saccharomyces cerevisiae), dat is opgebouwd uit twee monomeren (subfragmenten A en B). Elk monomeer heeft een ATPase-domein en in een subfragment de actieve plaats tyrosine 782, waaraan DNA kan binden. Zo kunnen twee strengen DNA binden aan topoisomerase II.

Werkingsmechanisme

Het werkingsmechanisme van topoisomerase II is hetzelfde als dat beschreven voor topoisomerase I, gezien het feit dat twee DNA-strengen gesplitst zijn en niet slechts één.

Op de actieve plaats van topoisomerase II wordt een DNA-fragment met dubbele helix, "fragment G" genaamd, gestabiliseerd (door covalente binding met tyrosine). Dit fragment wordt uitgesneden en bij elkaar gehouden op de actieve plaats door covalente bindingen.

Het enzym laat dan een ander DNA-fragment, het "T-fragment" genaamd, door het gesplitste fragment "G" gaan, dankzij een conformationele verandering van het enzym, dat afhankelijk is van de hydrolyse van ATP.

Topoisomerase II bindt de twee uiteinden van het "G-fragment" en herstelt tenslotte zijn oorspronkelijke toestand, waarbij het "G" -fragment vrijkomt. Het DNA ontspant vervolgens de torsiespanning, waardoor replicatie en transcriptie kunnen plaatsvinden.

-Menselijke topoisomerasen

Het menselijk genoom heeft vijf topoisomerasen: top1, top3α, top3β (type I); en top2α, top2β (van type II). De meest relevante humane topoisomerases zijn top1 (type IB topoisomerase) en 2α (type II topoisomerase).

Topoisomerase-remmers

-Topoisomerasen als doelwit van chemische aantasting

Omdat de door topoisomerasen gekatalyseerde processen nodig zijn voor het overleven van cellen, zijn deze enzymen een goed doelwit van aanvallen om kwaadaardige cellen te beïnvloeden. Om deze reden worden topoisomerasen als belangrijk beschouwd bij de behandeling van vele menselijke ziekten.

Geneesmiddelen die een interactie aangaan met topoisomerasen worden momenteel uitgebreid bestudeerd als chemotherapeutische stoffen tegen kankercellen (in verschillende organen van het lichaam) en pathogene micro-organismen.

-Types van remming

Geneesmiddelen die de topoisomerase-activiteit remmen, kunnen:

• Ingeklemd in DNA.
• Beïnvloeden het enzym topoisomerase.
• Intercaleer in een molecuul dicht bij de actieve plaats van het enzym terwijl het DNA-topoisomerase-complex wordt gestabiliseerd.

Stabilisatie van het tijdelijke complex dat wordt gevormd door de binding van DNA aan de tyrosine van de katalytische plaats van het enzym, verhindert de binding van de gespleten fragmenten, wat kan leiden tot celdood.

-Topoisomerase-remmers

Onder de verbindingen die topoisomerasen remmen, zijn de volgende.

Antitumorantibiotica

Antibiotica worden gebruikt tegen kanker, omdat ze de groei van tumorcellen voorkomen en meestal hun DNA verstoren. Deze worden vaak antineoplastische (kanker) antibiotica genoemd. Actinomycine D beïnvloedt bijvoorbeeld topoisomerase II en wordt gebruikt bij Wilms-tumoren bij kinderen en bij rabdomyosarcomen.

Anthracyclines

Anthracyclines behoren tot de antibiotica, een van de meest effectieve middelen tegen kanker en met het breedste spectrum. Ze worden gebruikt om longkanker, eierstokken, baarmoeder, maag, blaas, borst, leukemie en lymfomen te behandelen. Het is bekend dat het topo-isomerase II beïnvloedt door intercalatie in DNA.

De eerste anthracycline die werd geïsoleerd uit een actinobacterie (Streptomyces peucetius) was daunorubicine. Vervolgens werd doxorubicine in het laboratorium gesynthetiseerd en tegenwoordig worden epirubicine en idarubicine ook gebruikt.

Anthrachinonen

Anthrachinonen of anthraceendionen zijn verbindingen die zijn afgeleid van antraceen, vergelijkbaar met antracyclines, die de topoisomerase II-activiteit beïnvloeden door intercalatie in DNA. Ze worden gebruikt voor gemetastaseerde borstkanker, non-Hodgkin-lymfoom (NHL) en leukemie.

Deze medicijnen werden aangetroffen in de pigmenten van sommige insecten, planten (frangula, senna, rabarber), korstmossen en schimmels; evenals in hoeliet, wat een natuurlijk mineraal is. Afhankelijk van uw dosis kunnen ze kankerverwekkend zijn.

Onder deze verbindingen hebben we mitoxantron en zijn analoog, losoxantron. Deze voorkomen de proliferatie van kwaadaardige tumorcellen, die zich onomkeerbaar aan het DNA binden.

Epidofyllotoxinen

Podofyllotoxinen, zoals epidofyllotoxinen (VP-16) en teniposide (VM-26), vormen een complex met topoisomerase II. Ze worden onder andere gebruikt tegen longkanker, testikel, leukemie, lymfomen, eierstokkanker, borstcarcinoom en kwaadaardige intracraniële tumoren. Podophyllum notatum en P. peltatum worden geïsoleerd uit planten.

Camptothecin-analogen

Campothecines zijn verbindingen die topoisomerase I remmen, waaronder irinotecan, topotecan en diflomotecan.

Deze verbindingen zijn gebruikt tegen karteldarm-, long- en borstkanker en worden op natuurlijke wijze verkregen uit de schors en bladeren van de boomsoort Camptotheca acuminata van de Chinese en Tibetaanse cornacea.

Natuurlijke remming

Structurele veranderingen van topoisomerasen I en II kunnen ook volledig natuurlijk optreden. Dit kan gebeuren tijdens sommige gebeurtenissen die uw katalytische proces beïnvloeden.

Deze veranderingen omvatten de vorming van pyrimidine-dimeren, verkeerde combinaties van stikstofbasen en andere gebeurtenissen die worden veroorzaakt door oxidatieve stress.

Referenties

1. Anderson, H., en Roberge, M. (1992). DNA topoisomerase II: een overzicht van zijn betrokkenheid bij chromosoomstructuur, DNA-replicatie, transcriptie en mitose. Cell Biology International Reports, 16 (8): 717-724. doi: 10.1016 / s0309-1651 (05) 80016-5
2. Chhatriwala, H., Jafri, N., en Salgia, R. (2006). Een overzicht van de remming van topoisomerase bij longkanker. Cancer Biology & Therapy, 5 (12): 1600-1607. doi: 10.4161 / cbt.5.12.3546
3. Ho, Y.-P., Au-Yeung, SCF, & To, KKW (2003). Op platina gebaseerde antikankermiddelen: innovatieve ontwerpstrategieën en biologische perspectieven. Medicinal Research Reviews, 23 (5): 633-655. doi: 10.1002 / med.10038
4. Li, T.-K., en Liu, LF (2001). Tumorcelsterfte geïnduceerd door topoisomerase-gerichte geneesmiddelen. Jaaroverzicht van farmacologie en toxicologie, 41 (1): 53-77. doi: 10.1146 / annurev.pharmtox.41.1.53
5. Liu, LF (1994). DNA-topoisomerasen: op topoisomerase gerichte geneesmiddelen. Academische pers. blz 307
6. Osheroff, N. en Bjornsti, M. (2001). DNA Topoisomerase. Enzymologie en medicijnen. Vol.II. Humana Press. blz 329.
7. Rothenberg, ML (1997). Topoisomerase I-remmers: herziening en update. Annals of Oncology, 8 (9), 837-855. doi: 10.1023 / een: 1008270717294
8. Ryan B. (2009, 14 december). Topoisomerase 1 en 2. Opgehaald van youtube.com