TOPOISOMERAASIT: OMINAISUUDET, TOIMINNOT, TYYPIT JA ESTÄJÄT - BIOLOGIA - 2026

Topoisomeraasit ovat entsyymejä, isomeraasit tyyppi muuttaa topologiasta deoksiribonukleiinihappo (DNA), joka tuottaa sekä sen purkautumista ja ylikeloutumista sen kiemura.

Näillä entsyymeillä on erityinen rooli lievittäessä DNA: n vääntöstressiä niin, että tapahtuu tärkeitä prosesseja, kuten replikaatio, DNA: n transkriptio messenger-ribonukleiinihapoksi (mRNA) ja DNA: n rekombinaatio.

Kuvio 1. Topoisomeraasi II. Lähde: Emw, Wikimedia Commonsista

Topoisomeraasientsyymejä on läsnä sekä eukaryoottisissa että prokaryoottisissa soluissa. Tutkijat Watson ja Crick ennustivat sen olemassaolon arvioidessaan rajoituksia, joita DNA: n rakenne esitti sen tiedon saatavuuden mahdollistamiseksi (sen nukleotidisekvenssiin tallennettu).

Topoisomeraasien toimintojen ymmärtämiseksi on otettava huomioon, että DNA: lla on vakaa kaksoiskierrerakenne, jonka juosteet ovat haavoittuneet toistensa päälle.

Nämä lineaariset ketjut koostuvat 2-deoksiriboosista, jotka on kytketty 5'-3'-fosfodiesterisidoksilla, ja typpipitoisista emäksistä sisällä, kuten spiraaliportaan rungot.

Kuvio 2. DNA-molekyyli. Lähde:

DNA-molekyylien topologinen tutkimus on osoittanut, että ne voivat olettaa erilaisia ​​vääntöstressistä riippuvaisia ​​muodonmuutoksia: rentoutuneesta tilasta erilaisiin kelaustiloihin, jotka mahdollistavat niiden tiivistymisen.

Eri konformaatioilla varustettuja DNA-molekyylejä kutsutaan topoisomeereiksi. Siten voidaan päätellä, että topoisomeraasit I ja II voivat lisätä tai vähentää DNA-molekyylien vääntöjännitystä muodostaen niiden erilaiset topoisomeerit.

Mahdollisista DNA-topoisomeereistä yleisin konformaatio on superkela, joka on erittäin kompakti. DNA-kaksoiskierre on kuitenkin myös purettava topoisomeraaseilla erilaisten molekyyliprosessien aikana.

ominaisuudet

Yleinen toimintamekanismi

Jotkut topoisomeraasit voivat rentouttaa vain negatiiviset DNA: n superkelat tai molemmat DNA: n superkelat: positiiviset ja negatiiviset.

Jos pyöreä kaksijuosteinen DNA on käämitty pitkittäisakseliaan ja tapahtuu vasemman käden käännös (myötäpäivään), sen sanotaan olevan negatiivisesti superkelattu. Jos käännös on myötäpäivään (vastapäivään), se käärii positiivisesti.

Kuvio 3. Negatiivisesti superkelattu, rentoutunut ja positiivisesti superkelattu pyöreä kaksijuosteinen DNA. Lähde: Fdardel, Wikimedia Commonsista

Pohjimmiltaan topoisomeraasit voivat:

-Mukahduta DNA-juosteen kulku vastakkaisessa juosteessa olevan leikkauksen läpi (tyypin I topoisomeraasi).

-Mukahduta täydellisen kaksoiskierukan kulku itse pilkkoutumisen kautta tai pilkkomisen kautta toisessa erilaisessa kaksoiskierroksessa (tyypin II topoisomeraasi).

Yhteenvetona topoisomeraasit toimivat katkaisemalla fosfodiesterisidoksia, yhdessä tai molemmissa juosteissa, jotka muodostavat DNA: n. Sitten ne modifioivat kaksoiskierre (topoisomeraasi I) tai kahden tuplaheliksiikan (topoisomeraasi II) säikeiden kelaustilaa lopullisesti sitoa tai sitoa katkotut päät uudelleen.

Topoisomeraasit ja solusykli

Vaikka topoisomeraasi I on entsyymi, jolla on korkeampi aktiivisuus S-vaiheen aikana (DNA-synteesi), sen ei katsota olevan riippuvainen solusyklin vaiheesta.

Topoisomeraasi II -aktiivisuus on aktiivisempaa solujen kasvun logaritmisessa vaiheessa ja nopeasti kasvavien tuumorien soluissa.

ominaisuudet

Topoisomeraaseja koodaavien geenien muutos on tappava soluille, mikä todistaa näiden entsyymien merkityksen. Prosessien joukossa, joihin topoisomeraasit osallistuvat, ovat:

Geneettisen materiaalin kompakti varastointi

Topoisomeraasit helpottavat geneettisen informaation tallentamista kompaktilla tavalla, koska ne tuottavat DNA: n kelaamista ja superkelaamista, jolloin suuri määrä tietoa voidaan löytää suhteellisen pienestä määrästä.

Geenitietojen saatavuus

Ilman topoisomeraaseja ja niiden ainutlaatuisia ominaisuuksia pääsy DNA: han tallennettuihin tietoihin olisi mahdotonta. Tämä johtuu tosiasiasta, että topoisomeraasit vapauttavat määräajoin vääntörasituksen, joka syntyy DNA: n kaksoiskierreessä, sen purkautumisen aikana replikaation, transkription ja rekombinaation prosesseissa.

Kuvio 4. DNA-replikaatio. Katso topoisomeraasi DNA-hiusneulan alussa. Lähde: LadyofHats, kääntänyt Miguelsierra, Wikimedia Commonsin kautta

Jos näiden prosessien aikana syntyvää vääntörasitusta ei vapauteta, voi ilmetä viallista geeniekspressiota, pyöreän DNA: n tai kromosomin keskeytyminen, jopa tuottaen solukuoleman.

Geeniekspression säätely

DNA-molekyylin konformaatiomuutokset (kolmiulotteisessa rakenteessa) paljastavat ulkopuolelle tietyt alueet, jotka voivat olla vuorovaikutuksessa DNA: ta sitovien proteiinien kanssa. Näillä proteiineilla on geeniekspression säätelevä tehtävä (positiivinen tai negatiivinen).

Kuva 5. Geeniekspression säätelevä proteiini, tässä tapauksessa se estää tiettyjen geenien ilmentymisen. Zephyris englanninkielisessä Wikipediassa

Täten topoisomeraasien vaikutuksesta muodostettu DNA: n kelaustila vaikuttaa geeniekspression säätelyyn.

Topoisomeraasi II: n erityispiirteet

Topoisomeraasi II on välttämätön kromatidien kokoonpanolle, kromosomien kondensoitumiselle ja dekondensaatiolle sekä tytär-DNA-molekyylien segregoitumiselle mitoosin aikana.

Tämä entsyymi on myös rakenneproteiini ja yksi solun ydinmatriisin pääkomponenteista interfaasin aikana.

Tyypit topoisomeraaseista

Topoisomeraaseja on kahta päätyyppiä riippuen siitä kykenevätkö ne pilkkomaan yhden tai kaksi DNA-juostetta.

-Topoisomeraasit tyyppi I

monomeeriset

Tyypin I topoisomeraasit ovat monomeerejä, jotka lievittävät negatiivisia ja positiivisia superkeloja, joita syntyy hiusneulan liikkeellä transkription aikana, replikaation ja geenin yhdistelmäprosessien aikana.

Tyypin I topoisomeraasit voidaan jakaa tyyppeihin 1A ja 1B. Viimeksi mainitut löytyvät ihmisistä, ja ne vastaavat superkelatun DNA: n rentouttamisesta.

Tyrosiini aktiivisella sivustollaan

Topoisomeraasi 1B (Top1B) koostuu 765 aminohaposta, jotka on jaettu 4 spesifiseen domeeniin. Yhdessä näistä domeeneista on erittäin konservoitunut alue, joka sisältää aktiivisen tyrosiinikohdan (Tyr7233). Kaikissa topoisomeraaseissa on tyrosiini aktiivisessa paikassa, jolla on perustavanlaatuinen rooli koko katalyyttisessä prosessissa.

Toimintamekanismi

Aktiivisen kohdan tyrosiini muodostaa kovalenttisen sidoksen DNA-juosteen 3'-fosfaattipään kanssa, leikkaamalla sen ja pitämällä sen kiinnittyneenä entsyymiin, kun taas toinen DNA-juoste kulkee pilkkomisen läpi.

Toisen DNA-juosteen kulkeutuminen pilkotun juosteen läpi saavutetaan entsyymin konformaatiomuutoksen ansiosta, joka tuottaa DNA-kaksoiskierukan aukon.

Sitten topoisomeraasi I palaa alkuperäiseen muotoonsa ja sitoo pilkkoutuneet päät uudelleen. Tämä tapahtuu prosessilla, joka on käänteinen DNA-ketjun hajoamiselle entsyymin katalyyttisessä kohdassa. Lopuksi topoisomeraasi vapauttaa DNA-juosteen.

DNA-ligaationopeus on suurempi kuin leikkaamisnopeus, mikä varmistaa molekyylin stabiilisuuden ja genomin eheyden.

Yhteenvetona, tyypin I topoisomeraasi katalysoi:

1. Juosteen pilkkominen.
2. Toisen juosteen kulkeutuminen pilkkomisen läpi.
3. Halkaistujen päiden ligaatio.

-Tyypin II topoisomeraasit

dimeerinen

Tyypin II topoisomeraasit ovat dimeerisiä entsyymejä, jotka katkaisevat molemmat DNA-juosteet, rentouttaen siten transkription ja muiden soluprosessien aikana syntyviä superkäämiä.

Mg riippuvainen

Nämä entsyymit tarvitsevat magnesiumia (Mg ⁺⁺) ja tarvitsevat myös energiaa, joka tulee katkaisemalla ATP-trifosfaattisidos, jota ne hyödyntävät ATPaasin ansiosta.

Kaksi aktiivista kohtaa tyrosiinin kanssa

Ihmisen topoisomeraasit II ovat hyvin samankaltaisia ​​kuin hiivan (Saccharomyces cerevisiae), joka koostuu kahdesta monomeeristä (subfragmentit A ja B). Jokaisella monomeerillä on ATPaasidomeeni ja alafragmentissa aktiivisen kohdan tyrosiini 782, johon DNA voi sitoutua. Siten kaksi DNA-juostetta voi sitoutua topoisomeraasiin II.

Toimintamekanismi

Topoisomeraasi II: n vaikutusmekanismi on sama kuin mitä topoisomeraasi I: lle on kuvattu, ottaen huomioon, että kaksi DNA-juostetta on jaettu eikä vain yksi.

Topoisomeraasi II: n aktiivisessa kohdassa stabiloidaan DNA: n kaksoissierukkofragmentti, nimeltään “fragmentti G” (kovalenttisen sitoutumisen kautta tyrosiinin kanssa). Tämä fragmentti leikataan pois ja pidetään yhdessä aktiivisessa kohdassa kovalenttisilla sidoksilla.

Entsyymi antaa sitten toisen DNA-fragmentin, nimeltään “T-fragmentti”, kulkea pilkkoutuneen fragmentin “G” läpi entsyymin konformaatiomuutoksen ansiosta, joka riippuu ATP: n hydrolyysistä.

Topoisomeraasi II sitoo "G-fragmentin" molemmat päät ja lopulta palauttaa alkutilansa vapauttaen "G"-fragmentin. Sitten DNA rentouttaa vääntörasitusta, sallien replikaation ja transkription tapahtumisen.

-Ihmisen topoisomeraasit

Ihmisen genomissa on viisi topoisomeraasia: top1, top3a, top3p (tyyppi I); ja top2a, top2p (tyyppi II). Merkittävimmät ihmisen topoisomeraasit ovat top1 (tyypin IB topoisomeraasi) ja 2α (tyypin II topoisomeraasi).

Topoisomeraasin estäjät

-Topoisomeraasit kemiallisen hyökkäyksen kohteena

Koska topoisomeraasien katalysoimat prosessit ovat välttämättömiä solujen selviytymiselle, nämä entsyymit ovat hyvä hyökkäyksen kohde vaikuttaa pahanlaatuisiin soluihin. Tästä syystä topoisomeraaseja pidetään tärkeinä monien ihmisen sairauksien hoidossa.

Topoisomeraasien kanssa vuorovaikutuksessa olevia lääkkeitä tutkitaan nykyään laajasti kemoterapeuttisina aineina syöpäsoluja (kehon eri elimissä) ja patogeenisiä mikro-organismeja vastaan.

-Estämisen tyypit

Topoisomeraasiaktiivisuutta estävät lääkkeet voivat:

• Kerrostettu DNA: han.
• Vaikuta topoisomeraasi-entsyymiin.
• Interkalatoi molekyylissä, joka on lähellä entsyymin aktiivista kohtaa, kun taas DNA-topoisomeraasikompleksi on stabiloitunut.

DNA: n sitoutumisesta entsyymin katalyyttisen kohdan tyrosiiniin muodostuvan ohimenevän kompleksin stabilointi estää pilkkoutuneiden fragmenttien sitoutumisen, mikä voi johtaa solukuolemaan.

-Topoisomeraasin estäjät

Yhdisteistä, jotka estävät topoisomeraaseja, ovat seuraavat.

Tuumorinvastaiset antibiootit

Antibiootteja käytetään syöpää vastaan, koska ne estävät kasvainsolujen kasvua, häiritseen yleensä niiden DNA: ta. Näitä kutsutaan usein antineoplastisiksi (syöpä) antibiooteiksi. Esimerkiksi aktinomysiini D vaikuttaa topoisomeraasi II: een ja sitä käytetään lasten Wilms-kasvaimissa ja rabdomyosarkoomissa.

antrasykliinejä

Antrasykliinit ovat antibioottien joukossa, yksi tehokkaimmista syöpälääkkeistä ja jolla on laaja kirjo. Niitä käytetään keuhkosyövän, munasarjojen, kohdun, vatsan, virtsarakon, rintojen, leukemian ja lymfoomien syövän hoitoon. Sen tiedetään vaikuttavan topoisomeraasi II: een interkaloimalla DNA: ta.

Ensimmäinen aktinobakteerista (Streptomyces peucetius) eristetty antrasykliini oli daunorubisiini. Myöhemmin doksorubisiini syntetisoitiin laboratoriossa, ja epirubisiiniä ja idarubisiinia käytetään myös nykyään.

antrakinoneilla

Antrakinonit tai antrasedetionit ovat antraseenista johdettuja yhdisteitä, jotka ovat samanlaisia ​​kuin antrasykliinit, ja jotka vaikuttavat topoisomeraasi II -aktiivisuuteen integroimalla DNA: ta. Niitä käytetään metastaattiseen rintasyöpään, non-Hodgkinin lymfoomaan (NHL) ja leukemiaan.

Näitä lääkkeitä löytyi joidenkin hyönteisten, kasvien (frangula, senna, raparperi), jäkälien ja sienten pigmenteistä; samoin kuin hoeliitissa, joka on luonnollinen mineraali. Annoksestasi riippuen ne voivat olla syöpää aiheuttavia.

Näiden yhdisteiden joukossa meillä on mitoksantronia ja sen analogia, losoksantronia. Nämä estävät pahanlaatuisten kasvainsolujen lisääntymisen, sitoutuen DNA: hon peruuttamattomasti.

epidofyllotoksiineista

Podofyllotoksiinit, kuten epidofyllotoksiinit (VP-16) ja teniposidi (VM-26), muodostavat kompleksin topoisomeraasi II: n kanssa. Niitä käytetään mm. Keuhkosyövän, kivesten, leukemian, lymfoomien, munasarjasyövän, rintasyövän ja pahanlaatuisten kallonsisäisten kasvainten torjunnassa. Podophyllum notatum ja P. peltatum eristetään kasveista.

Kamptotesiinianalogit

Kampotiinit ovat yhdisteitä, jotka inhiboivat topoisomeraasi I: tä, mukaan lukien irinotekaani, topotekaani ja diflomotekaani.

Näitä yhdisteitä on käytetty paksusuolen-, keuhko- ja rintasyöpää vastaan, ja niitä saadaan luonnollisesti kiinalaisten ja Tiibetin maissiurheilujen Camptotheca acuminata -lajin kuoresta ja lehtiä.

Luonnollinen esto

Topoisomeraasien I ja II rakenteelliset muutokset voivat tapahtua myös täysin luonnollisesti. Tämä voi tapahtua joidenkin katalyyttiseen prosessiisi vaikuttavien tapahtumien aikana.

Nämä muutokset sisältävät pyrimidiinidimeerien muodostumisen, typen ja emäksen yhteensopimattomuudet ja muut oksidatiivisen stressin aiheuttamat tapahtumat.

Viitteet

1. Anderson, H., & Roberge, M. (1992). DNA-topoisomeraasi II: Katsaus sen osallistumiseen kromosomirakenteeseen, DNA: n replikaatioon, transkriptioon ja mitoosiin. Cell Biology International Reports, 16 (8): 717–724. doi: 10.1016 / s0309-1651 (05) 80016-5
2. Chhatriwala, H., Jafri, N., ja Salgia, R. (2006). Katsaus keuhkosyövän topoisomeraasin estämiseen. Syöpäbiologia ja -terapia, 5 (12): 1600–1607. doi: 10,4161 / ct 5,12,3546
3. Ho, Y.-P., Au-Yeung, SCF, & To, KKW (2003). Platinapohjaiset syöpälääkkeet: Innovatiiviset suunnittelustrategiat ja biologiset näkökulmat. Medicinal Research Reviews, 23 (5): 633–655. doi: 10.1002 / med.10038
4. Li, T.-K., ja Liu, LF (2001). Topoisomeraasiin kohdistuvien lääkkeiden indusoima kasvainsolukuolema. Farmakologian ja toksikologian vuosikatsaus, 41 (1): 53–77. doi: 10.1146 / annurev.pharmtox.41.1.53
5. Liu, LF (1994). DNA-topoisomeraasit: Topoisomeraasiin kohdistuvat lääkkeet. Academic Press. s. 307
6. Osheroff, N. ja Bjornsti, M. (2001). DNA-topoisomeraasi. Entsymologia ja lääkkeet. Osa II. Humana Press. s. 329.
7. Rothenberg, ML (1997). Topoisomeraasi I: n estäjät: tarkista ja päivitä. Annals of Oncology, 8 (9), 837–855. doi: 10.1023 / a: 1008270717294
8. Ryan B. (2009, 14. joulukuuta). Topoisomeraasi 1 ja 2.. Palautettu osoitteesta youtube.com