Topoizomeraze ( ing. topoisomerase ) - o clasă de enzime - izomeraze care afectează topologia ADN-ului [1] . Topoizomerazele sunt capabile să relaxeze moleculele de ADN supraînfăşurate prin introducerea de rupturi monocatenare sau duble, urmate de recuperare (ligare) [2] . Totuși, în unele cazuri, topoizomerazele pot introduce superbobine negative sau catenane în ADN [3] .
Topoizomerazele au fost descrise pentru prima dată de profesorul de la Universitatea Harvard James Wong [4] .
Topoizomerazele, care facilitează desfășurarea lanțurilor de ADN într-un dublu helix, joacă un rol important în procesele de replicare și transcripție . S-a demonstrat rolul topoizomerazelor în formarea buclelor cromatinei în timpul condensării cromozomilor [3] . Integrarea ADN-ului viral în cromozomii gazdei și alte forme de recombinare necesită, de asemenea, prezența topoizomerazelor [5] .
În funcție de mecanismul de acțiune, topoizomerazele sunt împărțite în topoizomeraze de tip I, care introduc rupturi monocatenare fără a consuma energie și topoizomeraze de tip II, care introduc rupturi dublu-catenar cu consum de ATP . Un loc special în rândul topoizomerazelor îl ocupă ADN giraza , care este caracteristică E. coli [2] .
Următorul tabel prezintă principalele caracteristici ale diferitelor tipuri de topoizomeraze:
| Topoizomeraze | in absenta | IB | IIA | IIB |
|---|---|---|---|---|
| Nevoia de ioni metalici | da | Nu | da | da |
| Dependența de ATP | Nu | Nu | da | da |
| Decalaj | ots | ots | dts | dts |
| Sfârșitul atașamentului | 5' | 3' | 5' | 5' |
| Modificarea numărului de superbobine | ±1 | ±1 | ±2 | ±2 |
Topoizomerazele I (EC 5.99.1.2) suntproteinemonomerice . Ei relaxează ADN-ul, introducând rupturi cu o singură catenă fără consumul de ATP. Acesta este mecanismul. Introducerea rupurilor monocatenare are loc din cauzaaminoacizitirozină, care efectuează unatacnucleofilfosfatal ADN-ului, formând fosfotirozina [6] . Enzima însăși se leagă de capătul eliberat 3’ sau 5’ al lanțului. În funcție de capătul de care este atașată topoizomeraza, există:
Un astfel de mecanism de acțiune nu necesită consum de energie, adică ATP nu este consumat în timpul funcționării topoizomerazelor de tip I [6] . Numărul de spire este modificat cu 1 [3] .
Prima topoizomerază de tip I, așa cum sa menționat deja, a fost izolată în celulele E. coli . Topoizomerazele de acest tip au fost descoperite în 1972 în celulele de mamifere și, ulterior, în celulele de drojdie . Topoizomerazele de tip I sunt cunoscute în arhee, de exemplu, IA-topoizomeraza arheei termofile Desulfurococcus amylolyticus , precum și în unele virusuri, de exemplu, virusul variolei [7] .
Topoizomerazele II (EC 5.99.1.3) funcționeazăca tetrameriprocariotecadimerieucariote. Ei efectuează clivarea dependentă de ATP a ambelor catene de ADN, urmată de transferul catenelor prin gol și legarea acestuia. Clivajul se datorează legării topoizomerazei tirozinelor de ADN pentru a forma douălegături 5’-fosfodiester. Un alt ADN dublu catenar trece în pauză. Astfel, numărul de superbobine pozitive sau negative se modifică cu 2 (și nu cu 1, ca în topoizomerazele I). Astfel, topoizomerazele II pot catena și decatena nodurile ADN. Acest tip de ADN girază introduce superbobine negative [8] .
Topoizomerazele II, ca și topoizomerazele I, sunt împărțite în 2 grupe: IIA și IIB . Cu toate acestea, analiza structurilor topoizomerazelor IA, IIA și IIB a relevat marea lor similitudine structurală, în special, prezența unei pliuri speciale pentru legarea la ionii metalici [ 9] .
Următorul tabel caracterizează pe scurt topoizomerazele din diferite clase izolate din diferite organisme [9] .
| Topoizomeraza | Tip de | organism | Mărimea (kDa) și structura subunității | Particularități |
|---|---|---|---|---|
| Topoizomeraza I bacteriană (ω-proteină) | in absenta | Bacteriile (inclusiv E. coli ) | 97; monomer | Nu se poate relaxa superbobinele pozitive |
| topoizomeraza eucariotă I | IB | Eucariote (inclusiv oameni) | 91; monomer | Poate relaxa atât superbobinele pozitive, cât și cele negative |
| Topoizomeraza I a virusului vaccinia | IB | virusul vacciniei | 37; monomer | ATP stimulează activitatea enzimatică |
| Topoizomeraza III | in absenta | Bacteriile (inclusiv E. coli ) | 73; monomer | Are activitate de decatenare puternică |
| girază inversă | in absenta | Arheile termofile (inclusiv Sulfolobus acidocaldarius | 143; monomer | Poate introduce, în funcție de ATP, superbobine pozitive în ADN |
| ADN girază | IIA | Bacteriile (inclusiv E. coli ), unele eucariote inferioare | 97 și 99 A 2 B 2 | Poate introduce în ADN superbobine negative în funcție de ATP |
| T4-topoizomeraza | IIA | Fagul T4 | 58, 51 și 18; 2 copii ale fiecărei subunități | Relaxează ADN-ul, dar nu se supraînfilează (dependent de ATP) |
| topoizomeraza eucariotă II | IIA | Eucariote (inclusiv oameni) | 174; homodimer | Relaxează ADN-ul, dar nu se supraînfilează (dependent de ATP) |
| Topoizomeraza IV | IIA | Bacteriile (inclusiv E. coli ) | 84 și 70 C 2 E 2 | Relaxează ADN-ul, dar nu se supervolează, decatenaza puternică (dependentă de ATP) |
| Topoizomeraza VI | IIB | Archaea (inclusiv Sulfolobus shibatae ) | 45 și 60 A 2 B 2 | Relaxează ADN-ul, dar nu se supraînfilează (dependent de ATP) |
Topoizomerazele joacă un rol important în procesele de creștere și diviziune celulară și , prin urmare, sunt adesea ținta diferitelor medicamente [9] - inhibitori ai topoizomerazelor .
Deci, ADN giraza și topoizomeraza IV din apropierea acesteia sunt ținta a două grupe principale de medicamente antibacteriene: chinolone și cumarine . Chinolonele (inclusiv acidul nalidixic și ciprofloxacina ) blochează probabil etapa de ruptură și ligatură a girazei. Cumarinele (inclusiv novobiocina și cumrmicina A 1 ) acționează într-un mod complet diferit: blochează hidroliza ATP-ului de către girază [9] .
Topoizomerazele eucariote sunt, de asemenea, ținta multor medicamente, în special medicamentele anticanceroase . De exemplu, medicamentul anticancer camptotecina , ai cărui derivați sunt utilizați pe scară largă în chimioterapia anticanceroasă , acționează asupra topoizomerazei I umane în același mod în care chinolonele acționează asupra girazei [9] .
Pe lângă faptul că sunt ținte pentru antibiotice și medicamente împotriva cancerului, topoizomerazele pot acționa și ca ținte pentru toxine . Astfel, toxina bacteriană Ccdb acționează asupra girazei. Ccdb este o proteină mică de 11,7 kDa. Face parte din sistemul toxină-antitoxină, formând un complex cu o altă proteină, Ccda, și joacă un rol în stabilizarea plasmidei F de E. coli . Pierderea plasmidei F duce la pierderea Ccda relativ instabilă. Ca rezultat, Ccdb este eliberat, blochează giraza și, prin urmare, ucide celula gazdă. Studiul mecanismului de acțiune al unor astfel de toxine poate oferi noi idei pentru dezvoltarea de noi inhibitori ai girazei [9] .
Următorul tabel oferă informații despre diverși inhibitori de topoizomerază [9] :
| Inhibitor | ținta topoizomerazei | Acțiune terapeutică |
|---|---|---|
| Chinolone (inclusiv ciprofloxacina ) | ADN giraza și topoizomeraza IV | Agenți antibacterieni eficienți |
| Cumarine (inclusiv novobiocina ) | ADN giraza și topoizomeraza IV | Antibiotice dar nu sunt utilizate pe scară largă |
| Camptothecins (inclusiv topotecan ) | Topoizomeraza umană I | Medicamente anticancerigene |
| Amsacrine (mAMSA) | Topoizomeraza umană II | Medicamente anticancerigene |
| Podofilotoxine (inclusiv teniposide ) | Topoizomeraza umană II | Medicamente anticancerigene |
| Replicarea ADN-ului | |||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Iniţiere |
| ||||||
| Elongaţie |
| ||||||
| Încetarea |
| ||||||