A DNS topoizomerázok funkciói
A topoizomerázoknak számos különböző típusa létezik, amelyek mindegyike a DNS-manipuláció különböző aspektusára specializálódott.
A DNS elérése
A transzkripció és a DNS-replikáció során a DNS-t ki kell tekerni ahhoz, hogy a transzkripciós/replikációs gépezet hozzáférjen a DNS-hez, hogy az le tudjon kopírozódni, illetve replikálódni. A topoizomeráz I képes egyszálú töréseket létrehozni, hogy ezek a folyamatok folytatódhassanak.
A DNS-szupertekercsek eltávolítása
Az átírás és a DNS-replikáció során a DNS-hélix vagy túl- vagy alultekeredik. Például aDNS-replikáció során a replikációs villa előrehaladása pozitív szupertekercseket hoz létre a replikációs gépezet előtt és negatív szupertekercseket mögötte. Ilyen feszültségi problémák akkor is fennállnak, amikor a DNS-t átírják, hogy RNS-másolatot készítsenek a fehérjeszintézishez. E folyamatok során a DNS olyan mértékben szupertekeredhet, hogy ha nem ellenőrzik, az akadályozhatja az érintett fehérjegépezet előrehaladását. Ezt akadályozza meg a topoizomeráz I, amely egyszálú bevágásokat készít a spirál lazítása érdekében.
Szálszakadás a rekombináció során
Mielőtt a sejtosztódás során a kromoszómák elválnának egymástól, képesek genetikai információt cserélni egy rekombinációnak nevezett folyamat révén, amelynek során az egyik kromoszómán lévő DNS fizikai darabjai kicserélődhetnek a megfelelő testvérkromoszómán lévő DNS-re, hogy a genetikai információ átrendeződjön. A topoizomeráz III képes egyszálú töréseket létrehozni, amelyek szükségesek ahhoz, hogy a DNS-t a szomszédos kromoszómák kicseréljék.
Kromoszóma kondenzáció
A sejtciklus során a kromoszómáknak meghatározott szakaszokban felváltva kell kondenzálódniuk és dekondenzálódniuk. A topoizomeráz II(gyráz) molekuláris motorként működik, az ATP-hidrolízisből nyert energiát arra használja, hogy szoros szupertekercseket vezessen be a DNS-hélixbe a kromoszóma kondenzálása érdekében. Mivel ennek a folyamatnak erősen szabályozottnak kell lennie, a topoizomeráz II molekuláris komplexeket képezhet fontos sejtciklus-szabályozókkal (mint például a p53, TopBP1, 14-3-3 epsilon és Cdc2)annak biztosítása érdekében, hogy a kromoszóma kondenzációja a sejtciklus megfelelő időpontjában történjen.
Az összefonódott DNS szétválasztása
A sejtosztódás során, miután a kromoszómák replikálódtak, szét kell válniuk és a sejt ellentétes végeire kell utazniuk, hogy két különálló leánysejt részévé váljanak. A IV. topoizomerázok a replikált leányszálak szétválasztására szolgálnak azáltal, hogy kettősszál-töréseket hajtanak végre, amelyek lehetővé teszik, hogy az egyik duplex áthaladjon a másikon.
Topoizomerázok mint gyógyszercélpontok
A topoizomerázok bizonyos betegségek kezelésének középpontjába kerültek. A bakteriális gyráz (topoizomeráz II) és a topoizomeráz IV az antibiotikus gyógyszerek két osztályának célpontjai: a kinolonokés a kumarinok. Ezeket az antibiotikumokat különböző betegségek, például tüdőgyulladás, tuberkulózis és malária kezelésére használják a DNS-replikáció gátlásával a felelős baktériumban.
Az I. és II. eukarióta topoizomerázok egyre több rákellenes gyógyszer célpontjai, amelyek ezen enzimek gátlására hatnak azáltal, hogy blokkolják a DNS-ben lévő töréseket újrakötő reakciót. Gyakran a gyógyszer kötődése visszafordítható, de ha egy replikációs villa beleütközik a blokkolt topoizomerázba, a réses DNS-szálnak a topoizomeráz által nem megkötött darabja felszabadulhat, ami tartós törést okoz a DNS-ben, ami sejthalálhoz vezet. A legtöbb ilyen inhibitor szelektív vagy az I. vagy a II. topoizomeráz ellen, de egyesek mindkét enzimet képesek megcélozni.
A topoizomeráz I gátlók egyszálú töréseket idéznek elő a DNS-ben, és többféle mechanizmussal működhetnek. Egyes gyógyszerek, mint például a kamptotecinek, gátolják a topoizomeráz és a DNS disszociációját, ami a replikáció által közvetített DNS-károsodáshoz vezet, amely a normális sejtekben hatékonyabban javítható, mint a rákos sejtekben (amelyekben hiányos a DNS-javítás). A topoizomeráz I gátlók kromatid aberrációkon keresztül gén inaktivációt is okozhatnak.
A topoizomeráz II gátlók, mint például az antraciklinek, a legszélesebb körben alkalmazott rákellenes szerek közé tartoznak. Ezek a gyógyszerek hatásosan indukálják a kettős szálszakadásokat a DNS-ben, és a sejtciklus megállását okozhatják aG2 stádiumban, ez utóbbi a topoizomeráz II és a sejtciklus szabályozói, például a Cdc2 közötti kölcsönhatás megszakításával történik. A topoizomeráz II gátlók a kromoszóma-rendellenességek szélesebb skáláját okozhatják, és vagy a könnyen hasadó topoizomeráz II-DNS komplexek stabilizálásával, vagy az enzim katalitikus aktivitásának zavarásával hatnak, mindkettő kettősszál-töréseket eredményez a DNS-ben.
Vannak kettős gátlók is, amelyek a topoizomeráz I és II ellen is irányulnak, ami növeli a rákellenes hatás erejét. Ezek a gyógyszerek többféle módon fejtik ki hatásukat: mindkét enzimben jelen lévő szerkezeti motívumok felismerésével, különálló topoizomeráz inhibitorok hibrid gyógyszerré történő összekapcsolásával, vagy olyan inhibitorok alkalmazásával, amelyek a DNS-hez kötődnek és interkalálódnak.