Funktionen der DNA-Topoisomerasen
Es gibt eine Reihe verschiedener Arten von Topoisomerasen, die jeweils auf einen anderen Aspekt der DNA-Manipulation spezialisiert sind.
Zugang zur DNA
Bei der Transkription und der DNA-Replikation muss die DNA abgewickelt werden, damit die Transkriptions-/Replikationsmaschinerie Zugang zur DNA erhält, damit sie kopiert bzw. repliziert werden kann. Topoisomerase I kann Einzelstrangbrüche erzeugen, damit diese Prozesse ablaufen können.
Entfernen von DNA-Supercoils
Während der Transkription und der DNA-Replikation kann die DNA-Helix entweder über- oder unterwickelt werden. Bei der DNA-Replikation beispielsweise erzeugt der Fortschritt der Replikationsgabel positive Supercoils vor der Replikationsmaschinerie und negative Supercoils hinter ihr. Solche Spannungsprobleme gibt es auch bei der Transkription von DNA zur Herstellung einer RNA-Kopie für die Proteinsynthese. Bei diesen Prozessen kann die DNA so stark überspult werden, dass sie unkontrolliert den Fortschritt der beteiligten Proteinmaschinerie behindern kann. Dies wird durch die Topoisomerase I verhindert, die einsträngige Einschnitte vornimmt, um die Helix zu entspannen.
Strangbrüche bei der Rekombination
Bevor sich die Chromosomen bei der Zellteilung voneinander trennen, können sie genetische Informationen durch einen als Rekombination bezeichneten Prozess austauschen, bei dem physische DNA-Stücke auf einem Chromosom gegen DNA auf dem passenden Schwesterchromosom ausgetauscht werden können, um die genetischen Informationen zu mischen. Topoisomerase III kann Einzelstrangbrüche verursachen, die für den Austausch von DNA zwischen benachbarten Chromosomen erforderlich sind.
Chromosomenkondensation
Während des Zellzyklus müssen die Chromosomen in bestimmten Phasen abwechselnd kondensiert und dekondensiert werden. Die Topoisomerase II (Gyrase) fungiert als molekularer Motor, der die aus der ATP-Hydrolyse gewonnene Energie nutzt, um enge Supercoils in die DNA-Helix einzubringen und so das Chromosom zu kondensieren. Da dieser Prozess stark reguliert werden muss, kann die Topoisomerase II Molekülkomplexe mit wichtigen Zellzyklusregulatoren (wie p53, TopBP1, 14-3-3 epsilon und Cdc2) bilden, um sicherzustellen, dass die Chromosomenkondensation zum richtigen Zeitpunkt im Zellzyklus erfolgt.
Entflechtung verschlungener DNA
Während der Zellteilung müssen sich die Chromosomen nach der Replikation trennen und zu den entgegengesetzten Enden der Zelle wandern, um Teil von zwei getrennten Tochterzellen zu werden. Topoisomerasen IV entwirren die replizierten Tochterstränge, indem sie Doppelstrangbrüche verursachen, die es dem einen Duplex ermöglichen, den anderen zu passieren.
Topoisomerasen als Zielmoleküle
Topoisomerasen stehen im Mittelpunkt bei der Behandlung bestimmter Krankheiten. Die bakterielle Gyrase (Topoisomerase II) und die Topoisomerase IV sind die Ziele zweier Klassen von Antibiotika: Chinolone und Cumarine. Diese Antibiotika werden zur Behandlung verschiedener Krankheiten wie Lungenentzündung, Tuberkulose und Malaria eingesetzt, indem sie die DNA-Replikation in den verantwortlichen Bakterien hemmen.
Die eukaryotischen Topoisomerasen I und II sind die Ziele einer wachsenden Zahl von Krebsmedikamenten, die diese Enzyme hemmen, indem sie die Reaktion blockieren, die die Brüche in der DNA wieder verschließt. Oft ist die Bindung des Medikaments reversibel, aber wenn eine Replikationsgabel auf die blockierte Topoisomerase stößt, könnte ein Stück des lückenhaften DNA-Strangs, das nicht von der Topoisomerase gebunden wird, freigesetzt werden und einen dauerhaften Bruch in der DNA verursachen, der zum Zelltod führt. Die meisten dieser Inhibitoren sind entweder für Topoisomerase I oder II selektiv, aber einige können auf beide Enzyme wirken.
Topoisomerase-I-Hemmer verursachen Einzelstrangbrüche in der DNA und können über verschiedene Mechanismen wirken. Einige Medikamente, wie z. B. die Camptothecine, hemmen die Dissoziation von Topoisomerase und DNA, was zu einer durch Replikation vermittelten DNA-Schädigung führt, die in normalen Zellen effizienter repariert werden kann als in Krebszellen (denen es an DNA-Reparatur mangelt). Topoisomerase-I-Inhibitoren können auch zu einer Geninaktivierung durch Chromatidenaberrationen führen.
Topoisomerase-II-Inhibitoren wie die Anthracycline gehören zu den am häufigsten verwendeten Krebsmedikamenten. Diese Medikamente sind starke Auslöser von Doppelstrangbrüchen in der DNA und können den Zellzyklus in der G2-Phase zum Stillstand bringen, indem sie die Interaktion zwischen der Topoisomerase II und den Regulatoren des Zellzyklus wie Cdc2 stören. Topoisomerase-II-Inhibitoren können ein breiteres Spektrum an Chromosomenaberrationen verursachen und wirken entweder durch Stabilisierung von Topoisomerase-II-DNA-Komplexen, die leicht gespalten werden können, oder durch Störung der katalytischen Aktivität des Enzyms, was in beiden Fällen zu Doppelstrangbrüchen in der DNA führt.
Es gibt auch duale Inhibitoren, die sowohl auf Topoisomerase I als auch auf II abzielen, was die Potenz der krebsbekämpfenden Wirkung erhöht. Diese Medikamente wirken auf verschiedene Weise: durch Erkennung struktureller Motive, die auf beiden Enzymen vorhanden sind, durch Verknüpfung separater Topoisomerase-Inhibitoren zu einem Hybridpräparat oder durch Verwendung von Inhibitoren, die sich an die DNA binden und diese interkalieren.