Functies van DNA-topoisomerases
Er zijn een aantal verschillende soorten topoisomerases, die elk gespecialiseerd zijn in een ander aspect van de DNA-manipulatie.
Toegang tot DNA
Tijdens transcriptie en DNA-replicatie moet het DNA worden afgewikkeld, zodat de transcriptie- of replicatiemachine toegang tot het DNA kan krijgen, zodat het respectievelijk kan worden gekopieerd of gerepliceerd. Topoisomerase I kan enkelstrengsbreuken maken om deze processen te laten doorgaan.
Het verwijderen van DNA-supercoils
Tijdens transcriptie en DNA-replicatie kan de DNA-helix over- of onderwikkeld raken. Bijvoorbeeld, tijdensDNA replicatie, genereert de voortgang van de replicatievork positieve superspoelen vóór de replicatiemachine en negatieve superspoelen erachter. Dergelijke spanningsproblemen doen zich ook voor bij het transcriberen van DNA om een RNA-kopie te maken voor eiwitsynthese. Tijdens deze processen kan het DNA zodanig worden gesupercoild dat het de voortgang van de betrokken eiwitmachine kan belemmeren als er niets aan wordt gedaan. Dit wordt voorkomen door topoisomerase I, dat enkelstrengs inkepingen maakt om de helix te ontspannen.
Strandbreuk bij Recombinatie
Voordat de chromosomen tijdens de celdeling van elkaar scheiden, kunnen zij genetische informatie uitwisselen door middel van een proces dat recombinatie wordt genoemd, waarbij fysieke stukjes DNA op het ene chromosoom kunnen worden verwisseld met DNA op het overeenkomstige zusterchromosoom om de genetische informatie te verschuiven. Topoisomerase III kan enkelstrengsbreuken introduceren die nodig zijn om DNA door aangrenzende chromosomen te laten uitwisselen.
Chromosoomcondensatie
Tijdens de celcyclus moeten chromosomen afwisselend worden gecondenseerd en gedecondenseerd in specifieke fasen. Topoisomerase II (gyrase) fungeert als een moleculaire motor, die de energie van ATP-hydrolyse gebruikt om strakke supercoils in de DNA-helix aan te brengen en zo het chromosoom te condenseren. Omdat dit proces sterk gereguleerd moet zijn, kan topoisomerase II moleculaire complexen vormen met belangrijke celcyclusregulatoren (zoals p53, TopBP1, 14-3-3 epsilon, en Cdc2) om ervoor te zorgen dat de chromosoomcondensatie op het juiste moment in de celcyclus plaatsvindt.
Disentangling Intertwined DNA
Tijdens de celdeling moeten de chromosomen, als ze eenmaal gerepliceerd zijn, zich scheiden en naar tegenovergestelde uiteinden van de cel reizen om deel te gaan uitmaken van twee afzonderlijke dochtercellen. Topoisomerases IV zorgt voor de ontwarring van de gerepliceerde dochterstrengen door dubbelstrengsbreuken te maken, waardoor de ene duplex door de andere kan gaan.
Topoisomerases as Drug Targets
Topoisomerases zijn het doelwit geweest voor de behandeling van bepaalde ziekten. Bacteriële gyrase (topoisomerase II) en topoisomerase IV zijn de doelwitten van twee klassen van antibiotica: chinolonen en coumarines. Deze antibiotica worden gebruikt voor de behandeling van een reeks verschillende ziekten, zoals longontsteking, tuberculose en malaria, door remming van de DNA-replicatie in de verantwoordelijke bacterie.
Eukaryote topoisomerases I en II zijn het doelwit van een toenemend aantal geneesmiddelen tegen kanker die deze enzymen remmen door blokkering van de reactie die de breuken in het DNA herstelt. Vaak is de binding van het geneesmiddel omkeerbaar, maar als een replicatievork op de geblokkeerde topoisomerase stuit, kan een stuk van de ontbrekende DNA-streng dat niet door de topoisomerase is gebonden, vrijkomen, waardoor een permanente breuk in het DNA ontstaat die tot celdood leidt. De meeste van deze remmers zijn selectief tegen topoisomerase I of II, maar sommige kunnen zich tegen beide enzymen richten.
Topoisomerase I-remmers veroorzaken enkelstrengsbreuken in het DNA, en kunnen op verschillende manieren werken. Sommige geneesmiddelen, zoals camptothecinen, remmen de dissociatie van topoisomerase en DNA, wat leidt tot DNA-beschadiging door replicatie, die in normale cellen efficiënter kan worden gerepareerd dan in kankercellen (die niet in staat zijn DNA te repareren). Topoisomerase I-remmers kunnen ook inactivering van het gen veroorzaken door chromatideafwijkingen.
Topoisomerase II-remmers, zoals anthracyclines, behoren tot de meest gebruikte kankerbestrijdingsmiddelen. Deze geneesmiddelen zijn krachtige induceerders van dubbelstrengbreuken in het DNA en kunnen in het G2-stadium een stilstand in de celcyclus veroorzaken, dit laatste door verstoring van de interactie tussen topoisomerase II en regulatoren van de celcyclus, zoals Cdc2. Topoisomerase II-remmers kunnen een breder scala van chromosoomafwijkingen veroorzaken en werken hetzij door topoisomerase II-DNA-complexen te stabiliseren die gemakkelijk worden gesplitst, hetzij door de katalytische werking van het enzym te verstoren, wat in beide gevallen leidt tot dubbelstrengsbreuken in het DNA.
Er zijn ook tweevoudige remmers die zowel topoisomerase I als topoisomerase II aanpakken, waardoor het kankerbestrijdende effect krachtiger is. Deze geneesmiddelen werken op verschillende manieren: door structurele motieven te herkennen die op beide enzymen aanwezig zijn, door afzonderlijke topoisomeraseremmers aan elkaar te koppelen tot een hybride geneesmiddel, of door remmers te gebruiken die zich aan het DNA binden en intercaleren.