Fonctions des ADN Topoisomérases
Il existe un certain nombre de types de topoisomérases, chacune étant spécialisée dans un aspect différent de la manipulation de l’ADN.
Accéder à l’ADN
Lors de la transcription et de la réplication de l’ADN, l’ADN doit être déroulé pour que la machinerie de transcription/réplication puisse accéder à l’ADN afin qu’il puisse être respectivement copié ou répliqué. La topoisomérase I peut faire des cassures simple brin pour permettre à ces processus de se dérouler.
Démontage des super-bobines d’ADN
Au cours de la transcription et de la réplication de l’ADN, l’hélice d’ADN peut devenir soit trop enroulée, soit insuffisamment enroulée. Par exemple, pendant la réplication de l’ADN, la progression de la fourche de réplication génère des superbobines positives en avant de la machinerie de réplication et des superbobines négatives derrière. De tels problèmes de tension existent également lors de la transcription de l’ADN pour en faire une copie en ARN pour la synthèse des protéines. Au cours de ces processus, l’ADN peut se superposer à tel point que, s’il n’est pas contrôlé, il pourrait entraver la progression de la machinerie protéique impliquée. Ceci est empêché par la topoisomérase I, qui fait des coupures simple brin pour détendre l’hélice.
Rupture de brin pendant la recombinaison
Avant que les chromosomes ne se séparent les uns des autres pendant la division cellulaire, ils sont capables d’échanger des informations génétiques par un processus connu sous le nom de recombinaison, où des morceaux physiques d’ADN sur un chromosome peuvent être échangés contre de l’ADN sur le chromosome frère correspondant afin de mélanger les informations génétiques. La topoisomérase III peut introduire des cassures simple-brin qui sont nécessaires pour que l’ADN soit échangé par des chromosomes adjacents.
Condensation des chromosomes
Au cours du cycle cellulaire, les chromosomes doivent être alternativement condensés et décondensés à des étapes spécifiques. La topoisomérase II(gyrase) agit comme un moteur moléculaire, utilisant l’énergie gagnée par l’hydrolyse de l’ATP pour introduire des super bobines serrées dans l’hélice d’ADN afin de condenser lechromosome. Comme ce processus doit être hautement régulé, la topoisomérase II peut former des complexes moléculaires avec d’importants régulateurs du cycle cellulaire (tels que p53, TopBP1, 14-3-3 epsilon et Cdc2) pour s’assurer que la condensation des chromosomes se produit au bon moment du cycle cellulaire.
Dissociation de l’ADN entrelacé
Pendant la division cellulaire, une fois que les chromosomes ont été répliqués, ils doivent se séparer et se rendre aux extrémités opposées de la cellule pour faire partie de deux cellules filles distinctes. Les topoisomérases IV agissent pour démêler les brins filles répliqués en faisant des cassures double-brin qui permettent à un duplex de passer à travers l’autre.
Les topoisomérases comme cibles médicamenteuses
Les topoisomérases ont été au centre du traitement de certaines maladies. La gyrase bactérienne (topoisomérase II) et la topoisomérase IV sont les cibles de deux classes de médicaments antibiotiques : les quinoloneset les coumarines. Ces antibiotiques sont utilisés pour traiter un assortiment de maladies différentes, comme la pneumonie, la tuberculose et le paludisme, en inhibant la réplication de l’ADN dans la bactérie responsable.
Les topoisomérases I et II eucaryotes sont les cibles d’un nombre croissant de médicaments anticancéreux qui agissent pour inhiber ces enzymes en bloquant la réaction qui referme les cassures de l’ADN. Souvent, la liaison du médicament est réversible, mais si une fourche de réplication se heurte à la topoisomérase bloquée, alors un morceau du brin d’ADN non lié par la topoisomérase peut être libéré, créant une cassure permanente de l’ADN qui entraîne la mort cellulaire. La plupart de ces inhibiteurs sont sélectifs contre la topoisomérase I ou II, mais certains peuvent cibler les deux enzymes.
Les inhibiteurs de la topoisomérase I induisent des cassures simple brin dans l’ADN, et peuvent agir par une variété de mécanismes. Certains médicaments, comme les ascamptothécines, inhibent la dissociation de la topoisomérase et de l’ADN, entraînant des lésions de l’ADN médiées par la réplication, qui peuvent être réparées plus efficacement dans les cellules normales que dans les cellules cancéreuses (déficientes pour la réparation de l’ADN). Les inhibiteurs de la topoisomérase I peuvent également provoquer l’inactivation des gènes par des aberrations chromatidiennes.
Les inhibiteurs de la topoisomérase II, tels que les anthracyclines, font partie des agents anticancéreux les plus utilisés. Ces médicaments sont de puissants inducteurs de cassures double brin de l’ADN et peuvent provoquer un arrêt du cycle cellulaire au stade G2, ce dernier se produisant en perturbant l’interaction entre la topoisomérase II et les régulateurs du cycle cellulaire, tels que Cdc2. Les inhibiteurs de la topoisomérase II peuvent provoquer un plus large éventail d’aberrations chromosomiques et peuvent agir soit en stabilisant les complexes topoisomérase II-ADN qui sont facilement clivés, soit en interférant avec l’activité catalytique de l’enzyme, ce qui entraîne dans les deux cas des cassures double brin dans l’ADN.
Il existe également des inhibiteurs doubles qui ciblent à la fois la topoisomérase I et II, ce qui augmente la puissance de l’effet anticancéreux. Ces médicaments agissent par divers moyens : en reconnaissant des motifs structurels présents sur les deux enzymes,en reliant des inhibiteurs de topoisomérase distincts pour former un médicament hybride, ou en utilisant des inhibiteurs qui se lient à l’ADN et l’intercalent.