Funkcje topoizomeraz DNA
Istnieje wiele różnych typów topoizomeraz, z których każda specjalizuje się w innym aspekcie manipulacji DNA.
Dochodzenie do DNA
Podczas transkrypcji i replikacji DNA, DNA musi zostać rozwinięte, aby maszyny transkrypcyjne/replikacyjne mogły uzyskać dostęp do DNA, aby mogło ono zostać odpowiednio skopiowane lub powielone. Topoizomeraza I może tworzyć jednoniciowe pęknięcia, aby umożliwić te procesy.
Usuwanie superwulkanów DNA
Podczas transkrypcji i replikacji DNA, helisa DNA może zostać nadmiernie nawinięta lub niedostatecznie nawinięta. Na przykład, podczas replikacji DNA, postęp widełek replikacyjnych generuje dodatnie supercoils przed maszyną replikacyjną i ujemne supercoils za nią. Takie problemy z napięciem występują również podczas transkrypcji DNA w celu stworzenia kopii RNA do syntezy białka. Podczas tych procesów DNA może się zwijać do tego stopnia, że pozostawiony bez kontroli mógłby utrudniać postępy maszynerii białkowej. Zapobiega temu topoizomeraza I, która tworzy jednoniciowe nici rozluźniające helisę.
Przerwanie nici podczas rekombinacji
Zanim chromosomy oddzielą się od siebie podczas podziału komórki, są w stanie wymieniać informację genetyczną w procesie znanym jako rekombinacja, w którym fizyczne fragmenty DNA na jednym chromosomie mogą zostać zamienione na DNA na pasującym siostrzanym chromosomie w celu przemieszania informacji genetycznej. Topoizomeraza III może wprowadzać jednoniciowe pęknięcia, które są wymagane do wymiany DNA przez sąsiadujące chromosomy.
Kondensacja chromosomów
Podczas cyklu komórkowego chromosomy muszą być naprzemiennie kondensowane i dekondensowane na określonych etapach. Topoizomeraza II (gyraza) działa jak silnik molekularny, wykorzystując energię uzyskaną z hydrolizy ATP do wprowadzenia ciasnych superkolejek do helisy DNA w celu kondensacji chromosomu. Ponieważ proces ten musi być wysoce regulowany, topoizomeraza II może tworzyć kompleksy molekularne z ważnymi regulatorami cyklu komórkowego (takimi jak p53, TopBP1, 14-3-3 epsilon i Cdc2), aby zapewnić, że kondensacja chromosomów zachodzi we właściwym czasie w cyklu komórkowym.
Rozplątywanie splecionego DNA
Podczas podziału komórki, gdy chromosomy zostały już zreplikowane, muszą się rozdzielić i przemieścić na przeciwległe końce komórki, aby stać się częścią dwóch oddzielnych komórek potomnych. Topoizomerazy IV działają w celu rozplątania replikowanych nici córek poprzez tworzenie przerw w podwójnej nici, które umożliwiają jednemu dupleksowi przejście przez drugi.
Topoizomerazy jako cele leków
Topoizomerazy stały się celem w leczeniu niektórych chorób. Bakteryjna gyraza (topoizomeraza II) i topoizomeraza IV są celem dwóch klas antybiotyków: chinolonów i kumaryn. Antybiotyki te są stosowane w leczeniu szeregu różnych chorób, takich jak zapalenie płuc, gruźlica i malaria, poprzez hamowanie replikacji DNA w bakteriach odpowiedzialnych.
Eukariotyczne topoizomerazy I i II są celem coraz większej liczby leków przeciwnowotworowych, które działają w celu zahamowania tych enzymów poprzez blokowanie reakcji, która ponownie zamyka przerwy w DNA. Często wiązanie leku jest odwracalne, ale jeśli widełki replikacyjne natrafią na zablokowaną topoizomerazę, może dojść do uwolnienia fragmentu przerwanej nici DNA niezwiązanego przez topoizomerazę, tworząc trwałe pęknięcie DNA, które prowadzi do śmierci komórki. Większość z tych inhibitorów jest selektywna wobec topoizomerazy I lub II, ale niektóre mogą być skierowane przeciwko obu enzymom.
Inhibitory topoizomerazy Iindukują pęknięcia pojedynczej nici w DNA i mogą działać poprzez różne mechanizmy. Niektóre leki, takie jak askamptotecyny, hamują dysocjację topoizomerazy i DNA, co prowadzi do pośredniczących w replikacji uszkodzeń DNA, które mogą być naprawiane skuteczniej w komórkach prawidłowych niż w komórkach nowotworowych (z niedoborem naprawy DNA). Inhibitory topoizomerazy I mogą również powodować inaktywację genu poprzez aberracje chromatyd.
Inhibitory topoizomerazy II, takie jak antracykliny, należą do najczęściej stosowanych leków przeciwnowotworowych. Leki te są silnymi induktorami pęknięć podwójnej nici DNA i mogą powodować zatrzymanie cyklu komórkowego na etapieG2, przy czym to ostatnie następuje poprzez zakłócenie interakcji pomiędzy topoizomerazą II a regulatorami cyklu komórkowego, takimi jak Cdc2. Inhibitory topoizomerazy II mogą powodować szerszy zakres aberracji chromosomalnych i mogą działać poprzez stabilizację kompleksów topoizomeraza II-DNA, które są łatwo rozszczepiane, lub poprzez zakłócanie aktywności katalitycznej enzymu, co w obu przypadkach prowadzi do przerwania podwójnej nici DNA.
Istnieją również podwójne inhibitory, które są ukierunkowane zarówno na topoizomerazę I, jak i II, co zwiększa siłę działania przeciwnowotworowego. Leki te działają na różne sposoby: poprzez rozpoznanie motywów strukturalnych obecnych na obu enzymach, poprzez połączenie oddzielnych inhibitorów topoizomerazy w lek hybrydowy lub poprzez zastosowanie inhibitorów, które wiążą się z DNA i interkalują je.