Funkce topoizomeráz DNA
Existuje řada různých typů topoizomeráz, z nichž každá se specializuje na jiný aspekt manipulace s DNA.
Přístup k DNA
Během transkripce a replikace DNA musí být DNA odvinuta, aby transkripční/replikační stroj mohl získat přístup k DNA a ta se mohla kopírovat, respektive replikovat. Topoizomeráza I může vytvářet jednořetězcové zlomy, aby tyto procesy mohly probíhat.
Odstraňování superzávitů DNA
Během transkripce a replikace DNA může dojít k nadměrnému nebo nedostatečnému vinutí šroubovice DNA. Například během replikaceDNA vytváří postup replikační vidlice pozitivnísuperzávity před replikačním strojem a negativní superzávity za ním. Takové problémy s napětím existují také při přepisu DNA za účelem vytvoření kopie RNA pro syntézu bílkovin. Během těchto procesů může dojít k takovému navinutí DNA, že pokud by se nekontrolovalo, mohlo by to bránit postupu příslušných proteinových strojů. Tomu brání topoizomeráza I, která vytváří jednořetězcové zářezy, aby šroubovici uvolnila.
Zlomy řetězců při rekombinaci
Než se chromozomy během buněčného dělení od sebe oddělí, jsou schopny vyměnit si genetickou informaci prostřednictvím procesu známého jako rekombinace, kdy mohou být fyzické kousky DNA na jednom chromozomu vyměněny za DNA na odpovídajícím sesterském chromozomu, aby se genetická informace zamíchala. Topoizomeráza III může zavádět jednovláknové zlomy, které jsou nutné pro výměnu DNA sousedních chromozomů.
Kondenzace chromozomů
Během buněčného cyklu musí být chromozomy v určitých fázích střídavě kondenzovány a dekondenzovány. Topoizomeráza II(gyráza) působí jako molekulární motor, který využívá energii získanou hydrolyzou ATPk zavedení těsných superzávitů do šroubovice DNA za účelem kondenzace chromozomu. Protože tento proces musí být vysoce regulován, může topoizomeráza II vytvářet molekulární komplexy s důležitými regulátory buněčného cyklu (například p53, TopBP1, 14-3-3 epsilon a Cdc2), aby zajistila, že ke kondenzaci chromozomů dojde ve správnou dobu buněčného cyklu.
Rozplétání propletené DNA
Během buněčného dělení se chromozomy po replikaci musí oddělit a putovat na opačné konce buňky, aby se staly součástí dvou samostatných dceřiných buněk. Topoizomeráza IV působí na rozdělení replikovaných dceřiných řetězců tím, že vytváří dvouřetězcové zlomy, které umožňují průchod jednoho duplexu druhým.
Topoizomerázy jako cíle pro léčiva
Topoizomerázyse staly středem pozornosti při léčbě některých onemocnění. Bakteriální gyráza (topoizomeráza II) a topoizomeráza IV jsou cílem dvou tříd antibiotik: chinolonůa kumarinů. Tato antibiotika se používají k léčbě řady různých onemocnění, například zápalu plic, tuberkulózy a malárie, tím, že inhibují replikaci DNA u odpovědných bakterií.
Eukaryotické topoizomerázy I a II jsou cílem stále většího počtu protinádorových léčiv, která působí na inhibici těchto enzymů tím, že blokují reakci, která znovu uzavírá zlomy vDNA. Vazba léčiva je častoreverzibilní, ale pokud replikační vidlička narazí na zablokovanou topoizomerázu, může se uvolnit část rozpojeného vlákna DNA, která není vázána topoizomerázou, a vznikne trvalý zlom v DNA, který vede ke smrti buňky. Většina těchto inhibitorů je selektivní vůči topoizomeráze I nebo II, ale některé mohou působit na oba enzymy.
Inhibitory topoizomerázy Ivyvolávají jednořetězcové zlomy v DNA a mohou působit různýmimechanismy. Některá léčiva, například kamptoteciny, inhibují disociaci topoizomerázy a DNA, což vede k poškození DNA zprostředkovanému replikací, které může být v normálních buňkách opraveno účinněji než v nádorových buňkách (s nedostatkem oprav DNA). Inhibitory topoizomerázy I mohou také způsobit inaktivaci genu prostřednictvím chromatidových aberací.
Inhibitory topoizomerázy II, jako jsou antracykliny, patří mezi nejpoužívanější protinádorová léčiva. Tyto léky jsou silnými induktory dvouřetězcových zlomů v DNA a mohou způsobit zastavení buněčného cyklu ve fázi G2, k čemuž dochází narušením interakce meziopoizomerázou II a regulátory buněčného cyklu, jako je Cdc2. Inhibitory topoizomerázy II mohou způsobit širší škálu chromozomálních aberací a mohou působit buď stabilizací komplexů topoizomeráza II-DNA, které se snadno štěpí, nebo narušením katalytické aktivity enzymu, což v obou případech vede ke vzniku dvouřetězcových zlomů v DNA.
Existují také duální inhibitory, které cílí jak na topoizomerázu I, tak na topoizomerázu II, což zvyšuje účinnost protirakovinného účinku. Tyto léky působí různými způsoby: rozpoznáním strukturních motivů přítomných na obou enzymech,spojením samostatných inhibitorů topoizomerázy do hybridního léku nebo použitím inhibitorů, které se vážou na DNA a interkalují ji.