Funktioner af DNA-topoisomeraser
Der findes en række forskellige typer topoisomeraser, som hver især er specialiseret i et andet aspekt af DNA-manipulationen.
Accessing DNA
Under transkription og DNA-replikation skal DNA’et afvikles, for at transkriptions- eller replikationsmaskineriet kan få adgang til DNA’et, så det kan blive kopieret eller replikeres. Topoisomerase I kan lave enkeltstrengede brud, så disse processer kan fortsætte.
Fjernelse af DNA-supercoils
Under transkription og DNA-replikation kan DNA-helixen enten blive over- eller underviklet. UnderDNA-replikation genererer replikationsgaflen f.eks. positive supercoils foran replikationsmaskineriet og negative supercoils bagved. Sådanne spændingsproblemer opstår også ved transkription af DNA til fremstilling af en RNA-kopi med henblik på proteinsyntese. Under disse processer kan DNA’et blive supercoilet i et sådant omfang, at det kan hindre det involverede proteinmaskineri i at gå fremad, hvis det ikke kontrolleres. Dette forhindres af topoisomerase I, som laver enkeltstrenge-nick’er for at afspænde spiralen.
Strandbrud under rekombination
Inden kromosomerne adskilles fra hinanden under celledeling, kan de udveksle genetisk information gennem en proces, der kaldes rekombination, hvorfysiske stykker DNA på det ene kromosom kan byttes med DNA på det matchende søsterkromosom for at blande den genetiske information. Topoisomerase III kan indføre enkeltstrengsbrud, som er nødvendige for, at DNA kan udveksles af tilstødende kromosomer.
Kromosomkondensation
I løbet af cellecyklusen skal kromosomer skiftevis kondenseres og dekondenseres på bestemte stadier. Topoisomerase II (gyrase) fungerer som en molekylær motor, der bruger energien fra ATP-hydrolyse til at indføre stramme supercoils i DNA-helixen for at kondensere kromosomet. Da denne proces skal være stærkt reguleret, kan topoisomerase II danne molekylære komplekser med vigtige cellecyklusregulatorer (såsom p53, TopBP1, 14-3-3-3 epsilon og Cdc2) for at sikre, at kromosomkondensationen finder sted på det rigtige tidspunkt i cellecyklusen.
Disetablering af sammenflettet DNA
Under celledeling skal kromosomerne, når de er blevet replikeret, adskilles og rejse til modsatte ender af cellen for at blive en del af to separate datterceller. Topoisomerase IV virker for at adskille de replikerede datterstrenge ved at lave dobbeltstrengsbrud, der gør det muligt for den ene duplex at passere gennem den anden.
Topoisomeraser som lægemiddelmål
Topoisomeraserhar været i fokus for behandling af visse sygdomme. Bakteriel gyrase (topoisomerase II) og topoisomerase IV er mål for to klasser af antibiotika: quinoloner og kumariner. Disse antibiotika anvendes til behandling af en række forskellige sygdomme som f.eks. lungebetændelse, tuberkulose og malaria ved at hæmme DNA-replikationen i den ansvarlige bakterie.
Eukaryote topoisomeraser I og II er mål for et stigende antal kræftmidler, der virker hæmmende på disse enzymer ved at blokere den reaktion, der genetablerer bruddene i DNA’et. Ofte er lægemidlets binding reversibel, men hvis en replikationsgaffel løber ind i den blokerede topoisomerase, kan det stykke af den hullede DNA-streng, der ikke er bundet af topoisomerasen, frigøres, hvorved der opstår et permanent brud i DNA’et, som fører til celledød. De fleste af disse inhibitorer er selektive over for enten topoisomerase I eller II, men nogle kan være rettet mod begge enzymer.
Topoisomerase I-hæmmere fremkalder enkeltstrengsbrud i DNA og kan virke ved hjælp af en række forskellige mekanismer. Nogle lægemidler, som f.eks. camptotheciner, hæmmer dissociationen af topoisomerase og DNA, hvilket fører til en replikationsmedieret DNA-skade, som kan repareres mere effektivt i normale celler end i kræftceller (der er mangelfulde til DNA-reparation). Topoisomerase I-hæmmere kan også forårsage geninaktivering gennem kromatidaberrationer.
Topoisomerase II-hæmmere, som f.eks. anthracykliner, er blandt de mest udbredte midler mod kræft. Disse lægemidler er potente induktorer af dobbeltstrengsbrud i DNA og kan forårsage stop i cellecyklusen i G2-stadiet, idet sidstnævnte sker ved at forstyrre interaktionen mellem topoisomerase II og regulatorer af cellecyklusen, såsom Cdc2. Topoisomerase II-hæmmere kan forårsage en bredere vifte af kromosomale aberrationer og kan virke ved enten at stabilisere topoisomerase II-DNA-komplekser, der let spaltes, eller ved at forstyrre enzymets katalytiske aktivitet, hvilket i begge tilfælde resulterer i dobbeltstrengsbrud i DNA’et.
Der findes også dobbelte hæmmere, der er rettet mod både topoisomerase I og II, hvilket øger kræftbekæmpelsesvirkningens styrke. Disse lægemidler virker på forskellige måder: ved at genkende strukturelle motiver, der findes på begge enzymer, ved at forbinde separate topoisomerasehæmmere sammen til et hybridlægemiddel eller ved at anvende hæmmere, der binder sig til og interkalerer DNA.