DNA-topoisomeraasien tehtävät
Topoisomeraaseja on useita eri tyyppejä, joista kukin on erikoistunut DNA:n manipuloinnin eri osa-alueisiin.
DNA:han pääsy
Transkription ja DNA:n replikaation aikana DNA:n on purkauduttava, jotta transkriptio-/replikaatiokoneisto pääsee käsiksi DNA:han, jotta se voi kopioitua tai replikoitua. Topoisomeraasi I voi tehdä yksisäikeisiä katkoksia, jotta nämä prosessit voivat edetä.
DNA:n superkierteiden poistaminen
Transkription ja DNA:n replikaation aikana DNA-kierre voi muuttua joko ylikierteiseksi tai alikierteiseksi. Esimerkiksi DNA:n replikaation aikana replikaatiohaarukan eteneminen synnyttää positiivisia superkeloja replikaatiokoneiston eteen ja negatiivisia superkeloja sen taakse. Tällaisia jännitysongelmia esiintyy myös, kun DNA:ta transkriboidaan proteiinisynteesiä varten tarvittavan RNA-kopion valmistamiseksi. Näiden prosessien aikana DNA voi olla niin superkierteinen, että jos sitä ei valvota, se voi estää proteiinikoneiston etenemisen. Tämän estää topoisomeraasi I, joka tekee yksijuosteisia niksejä kierteen rentouttamiseksi.
Säikeiden katkeaminen rekombinaation aikana
Ennen kuin kromosomit erkanevat toisistaan solunjakautumisen aikana, ne voivat vaihtaa geneettistä informaatiota rekombinaatioksi kutsutun prosessin avulla, jossa yhden kromosomin DNA:n fyysisiä kappaleita voidaan geneettisen informaation sekoittamiseksi vaihtaa DNA:n palasiksi samankaltaisessa sisarkromosomissa. Topoisomeraasi III voi aiheuttaa yksisäikeisiä katkoksia, joita tarvitaan, jotta vierekkäiset kromosomit voivat vaihtaa DNA:ta.
Kromosomien tiivistyminen
Solusyklin aikana kromosomien on vuorotellen tiivistyttävä ja purkauduttava tietyissä vaiheissa. Topoisomeraasi II (gyraasi) toimii molekyylimoottorina, joka käyttää ATP:n hydrolyysistä saatua energiaa tiukkojen superkierteiden tuomiseen DNA-kierteeseen kromosomin tiivistämiseksi. Koska tämän prosessin on oltava hyvin säännelty, topoisomeraasi II voi muodostaa molekyylikomplekseja tärkeiden solusyklin säätelijöiden (kuten p53:n, TopBP1:n, 14-3-3 epsilonin ja Cdc2:n) kanssa varmistaakseen, että kromosomien tiivistyminen tapahtuu oikeaan aikaan solusyklissä.
Kietoutuneen DNA:n purkautuminen
Solun jakaantumisen aikana kromosomit, kun ne ovat replikoituneet, joutuvat erkanemaan toisistaan, ja niiden on kuljettava solun vastakkaiseen päähän, jotta ne voivat tulla kahdeksi erilliseksi tyttärensolukivekseksi. Topoisomeraasi IV toimii replikoitujen tytärsäikeiden hajottamiseksi tekemällä kaksoissäikeiden katkeamisia, jotka mahdollistavat toisen dupleksin kulkemisen toisen läpi.
Topoisomeraasit lääkekohteina
Topoisomeraasitovat olleet tiettyjen sairauksien hoidon kohteena. Bakteerien gyraasi (topoisomeraasi II) ja topoisomeraasi IV ovat kahden antibioottilääkeryhmän, kinolonien ja kumariinien, kohteita. Näitä antibiootteja käytetään useiden eri tautien, kuten keuhkokuumeen, tuberkuloosin ja malarian, hoitoon estämällä DNA:n replikaatiota vastuussa olevissa bakteereissa.
Eukaryoottiset topoisomeraasit I ja II ovat yhä useampien syöpälääkkeiden kohteita, jotka estävät näitä entsyymejä estämällä reaktiota, jolla DNA:n katkeamiset suljetaan. Usein lääkkeen sitoutuminen on peruuttamatonta, mutta jos replikaatiohaarukka törmää estettyyn topoisomeraasiin, topoisomeraasin sitomaton osa aukkoisesta DNA-juosteesta voi vapautua, jolloin DNA:han syntyy pysyvä murtuma, joka johtaa solukuolemaan. Useimmat näistä inhibiittoreista ovat selektiivisiä joko topoisomeraasi I:tä tai II:ta vastaan, mutta jotkut voivat kohdistua molempiin entsyymeihin.
Topoisomeraasi I:n estäjät aiheuttavat yhden säikeen katkoksia DNA:han, ja ne voivat toimia useilla eri mekanismeilla. Jotkin lääkkeet, kuten kamptotesiinit, estävät topoisomeraasin ja DNA:n dissosioitumista, mikä johtaa replikaatiovälitteisiin DNA-vaurioihin, jotka voidaan korjata tehokkaammin normaaleissa soluissa kuin syöpäsoluissa (joiden DNA:n korjaus on puutteellista). Topoisomeraasi I:n estäjät voivat myös aiheuttaa geenin inaktivoitumista kromatidipoikkeavuuksien kautta.
Topoisomeraasi II:n estäjät, kuten antrasykliinit, ovat yleisimmin käytettyjä syöpälääkkeitä. Nämä lääkkeet ovat voimakkaita DNA:n kaksoissäikeiden katkeamisen aiheuttajia, ja ne voivat aiheuttaa solusyklin pysähtymisen G2-vaiheeseen, mikä tapahtuu häiritsemällä vuorovaikutusta popoisomeraasi II:n ja solusyklin säätelijöiden, kuten Cdc2:n, välillä. Topoisomeraasi II:n estäjät voivat aiheuttaa monenlaisia kromosomipoikkeavuuksia, ja ne voivat vaikuttaa joko stabiloimalla helposti pilkkoutuvia topoisomeraasi II-DNA-komplekseja tai häiritsemällä entsyymin katalyyttistä toimintaa, jolloin molemmat johtavat DNA:n kaksoissäikeiden katkeamisiin.
On myös kaksoisinhibiittoreita, jotka kohdistuvat sekä topoisomeraasi I:n että II:n toimintaan, mikä lisää syövänvastaisten vaikutusten tehoa. Nämä lääkkeet toimivat monin eri tavoin: tunnistamalla molemmissa entsyymeissä esiintyviä rakenteellisia motiiveja, yhdistämällä erillisiä topoisomeraasi-inhibiittoreita hybridilääkkeeksi tai käyttämällä inhibiittoreita, jotka sitoutuvat DNA:han ja interkaloivat sitä.