Topoizomeraze

Versiunea actuală a paginii nu a fost încă examinată de colaboratori experimentați și poate diferi semnificativ de versiunea revizuită la 15 august 2022; verificările necesită 2 modificări .

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] .

Clasificare

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

Topoizomeraze I

Topoizomerazele I (EC 5.99.1.2) suntproteine​​monomerice . 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] .

Topoizomeraze II

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] .

Varietate de topoizomeraze

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)

Semnificație medicală

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

Note

  1. ↑ Champoux JJ ADN topoizomeraze: structură, funcție și mecanism   // Annu . Rev. Biochim. : jurnal. - 2001. - Vol. 70 . - P. 369-413 . - doi : 10.1146/annurev.biochem.70.1.369 . — PMID 11395412 .
  2. ↑ 1 2 3 Konichev, Sevastyanova, 2012 , p. 99.
  3. ↑ 1 2 3 Konichev, Sevastyanova, 2012 , p. 100.
  4. ↑ National Academy of Sciences: NAS Award in Molecular Biology (link nu este disponibil) . Academia Națională de Științe. Data accesului: 7 ianuarie 2009. Arhivat din original la 29 decembrie 2010. 
  5. ↑ Zhimulev I. F. Genetica generală și moleculară. - 1. - Novosibirsk: Editura Universității din Novosibirsk, 2002. - 459 p. - 2000 de exemplare.  — ISBN 5761505096 .
  6. ↑ 1 2 Arefiev V. A., Lisovenko L. A. ADN-relaxing enzymes // Dicționar explicativ englez-rus al termenilor genetici. - M . : Editura VNIRO, 1995. - ISBN 5-85382-132-6 .
  7. ↑ 1 2 D. V. Bugreev, G. A. Nevinsky . Structura și mecanismul de acțiune al topoizomerazelor de tip IA  // Advances in Biological Chemistry. - 2009. - T. 49 . - S. 129-158 . Arhivat din original pe 21 martie 2014.
  8. ↑ Konichev, Sevastyanova, 2012 , p. 99-100.
  9. ↑ 1 2 3 4 5 6 7 ADN topoizomeraze . Data accesului: 19 martie 2014. Arhivat din original pe 19 martie 2014.

Vezi și

Literatură