Funzioni delle Topoisomerasi del DNA

Ci sono diversi tipi di topoisomerasi, ognuno specializzato in un aspetto diverso della manipolazione del DNA.

Accesso al DNA

Durante la trascrizione e la replicazione del DNA, il DNA deve essere srotolato per permettere al macchinario di trascrizione/replicazione di accedere al DNA in modo che possa essere copiato o replicato, rispettivamente. La topoisomerasi I può effettuare rotture a singolo filamento per permettere a questi processi di procedere.

Rimuovere le supercoil del DNA

Durante la trascrizione e la replicazione del DNA, l’elica del DNA può essere sovra o sotto arrotolata. Per esempio, durante la replicazione del DNA, il progresso della forcella di replicazione genera superbobine positive davanti al macchinario di replicazione e superbobine negative dietro. Tali problemi tensionali esistono anche quando si trascrive il DNA per fare una copia di RNA per la sintesi proteica. Durante questi processi, il DNA può essere superavvolto a tal punto che, se lasciato incontrollato, potrebbe impedire il progresso del macchinario proteico coinvolto. Questo è impedito dalla topoisomerasi I, che fa nick a singolo filamento per rilassare l’elica.

Rottura del filamento durante la ricombinazione

Prima che i cromosomi si separino l’uno dall’altro durante la divisione cellulare, essi sono in grado di scambiare informazioni genetiche attraverso un processo noto come ricombinazione, dove pezzi fisici di DNA su un cromosoma possono essere scambiati con DNA sul cromosoma sorella corrispondente per mescolare le informazioni genetiche. La topoisomerasi III può introdurre rotture di un singolo filamento che sono necessarie affinché il DNA venga scambiato da cromosomi adiacenti.

Condensazione del cromosoma

Durante il ciclo cellulare, i cromosomi devono essere alternativamente condensati e decondensati in fasi specifiche. La topoisomerasi II (girasi) agisce come un motore molecolare, utilizzando l’energia ottenuta dall’idrolisi dell’ATP per introdurre strette supercoil nell’elica del DNA al fine di condensare il cromosoma. Poiché questo processo deve essere altamente regolato, la topoisomerasi II può formare complessi molecolari con importanti regolatori del ciclo cellulare (come p53, TopBP1, 14-3-3 epsilon e Cdc2) per assicurare che la condensazione dei cromosomi avvenga al momento giusto del ciclo cellulare.

Disentangling Intertwined DNA

Durante la divisione cellulare, una volta che i cromosomi sono stati replicati, devono separarsi e viaggiare verso le estremità opposte della cellula per diventare parte di due cellule figlie separate. La topoisomerasi IV agisce per districare i filamenti figli replicati facendo rotture del doppio filamento che permettono a un duplex di passare attraverso l’altro.

Topoisomerasi come bersaglio dei farmaci

Le topoisomerasi sono state al centro del trattamento di alcune malattie. La girasi batterica (topoisomerasi II) e la topoisomerasi IV sono gli obiettivi di due classi di farmaci antibiotici: chinoloni e cumarine. Questi antibiotici sono usati per trattare un assortimento di malattie diverse, come la polmonite, la tubercolosi e la malaria, inibendo la replicazione del DNA nei batteri responsabili.

Le topoisomerasi I e II eucariotiche sono i bersagli di un numero crescente di farmaci anticancro che agiscono per inibire questi enzimi bloccando la reazione che risigilla le rotture nel DNA. Spesso il legame del farmaco è reversibile, ma se una forcella di replicazione si imbatte nella topoisomerasi bloccata, il pezzo del filamento di DNA non legato dalla topoisomerasi potrebbe essere rilasciato, creando una rottura permanente nel DNA che porta alla morte cellulare. La maggior parte di questi inibitori sono selettivi contro la topoisomerasi I o II, ma alcuni possono colpire entrambi gli enzimi.

Gli inibitori della topoisomerasi I inducono rotture a singolo filamento nel DNA e possono funzionare con una varietà di meccanismi. Alcuni farmaci, come le ascamptothecins, inibiscono la dissociazione della topoisomerasi e del DNA, portando a danni al DNA mediati dalla replicazione, che possono essere riparati in modo più efficiente nelle cellule normali che nelle cellule cancerose (carenti per la riparazione del DNA). Gli inibitori della topoisomerasi I possono anche causare l’inattivazione del gene attraverso aberrazioni cromatidiche.

Gli inibitori della topoisomerasi II, come le antracicline, sono tra gli agenti anticancro più usati. Questi farmaci sono potenti induttori di rotture a doppio filamento nel DNA e possono causare l’arresto del ciclo cellulare allo stadio G2, che avviene interrompendo l’interazione tra la topoisomerasi II e i regolatori del ciclo cellulare, come Cdc2. Gli inibitori della topoisomerasi II possono causare una più ampia gamma di aberrazioni cromosomiche e possono agire stabilizzando i complessi topoisomerasi II-DNA che vengono facilmente scissi, o interferendo con l’attività catalitica dell’enzima, in entrambi i casi provocando rotture a doppio filamento nel DNA.

Esistono anche inibitori doppi che hanno come obiettivo sia la topoisomerasi I che II, il che aumenta la potenza dell’effetto anticancro. Questi farmaci funzionano in vari modi: riconoscendo motivi strutturali presenti su entrambi gli enzimi, collegando insieme inibitori separati della topoisomerasi in un farmaco ibrido, o utilizzando inibitori che si legano al DNA e lo intercalano.