Funções de Topoisomerases de DNA
Existem vários tipos diferentes de topoisomerases, cada uma especializada num aspecto diferente de manipulação de DNA.
Acessando o DNA
Transcrição e replicação do DNA, o DNA precisa ser desenrolado para que a máquina de transcrição/replicação tenha acesso ao DNA para que ele possa se tornar ou replicar, respectivamente. Topoisomerase I pode fazer quebras de uma só linha para permitir que estes processos prossigam.
Super bobinas de DNA removíveis
Durante a transcrição e a replicação de DNA, a hélice de DNA pode se tornar ou sobre ou sub-bobinada. Por exemplo, durante a replicação do ADN, o progresso do garfo de replicação gera superbobinas positivas à frente das máquinas de replicação e superbobinas negativas atrás dele. Tais problemas de tensão também existem quando se transcreve o DNA para fazer uma cópia do RNA para a síntese de proteínas. Durante estes processos, o DNA pode besupercoiled a tal ponto que se deixado sem controle pode impedir o progresso da maquinaria da proteína envolvida. Isto é impedido pela topoisomerase I, que faz com que os nicks de cadeia única relaxem a hélice.
Quebra da cadeia durante a Recombinação
Antes que os cromossomos se separem uns dos outros durante a divisão celular, eles são capazes de trocar informação genética através de um processo conhecido como recombinação, onde pedaços de DNA em um cromossomo podem ser trocados por DNA no cromossomo de matchingsister a fim de embaralhar a informação genética. Topoisomerase III pode introduzir quebras de cadeia únicas que são necessárias para que o DNA seja trocado por cromossomos adjacentes.
Condensação do cromossomo
Durante o ciclo celular, os cromossomos devem ser alternativamente condensados e descondensados em estágios específicos. Topoisomerase II(girose) atua como um motor molecular, usando a energia obtida a partir do hidrolisisto ATP introduzindo superpalete apertado na hélice de DNA a fim de condensar o cromossomo. Como este processo deve ser altamente regulado, a topoisomerase II pode formar complexos moleculares com importantes reguladores do ciclo celular (como p53, TopBP1, 14-3-3 epsilon e Cdc2) para garantir que a condensação cromossômica ocorra no tempo correto no ciclo celular.
Disentangling Intertwined DNA
Durante a divisão celular, uma vez que os cromossomos foram replicados, eles devem se separar e viajar para extremidades opostas da célula para se tornarem parte de duas células filhas separadas. Topoisomerases IV age emaranhado com os fios filhas replicados, fazendo quebras de fio duplo que permitem a passagem de um duplex pelo outro.
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Topoisomerases como alvos de drogas
Topoisomerases têm sido o foco para o tratamento de certas doenças. A girosase bacteriana (topoisomerase II) e atopoisomerase IV são os alvos de duas classes de antibióticos: as quinolonas e as cumarinas. Estes antibióticos são utilizados para tratar uma variedade de diferentes doenças, como pneumonia, tuberculose e malária, inibindo a replicação do DNA nas bactérias responsáveis.
Topoisomerases eucarióticas I e II são os alvos de um número crescente de medicamentos anti-cancerígenos que atuam para inibir estas enzimas, bloqueando a reação que reabsorve as quebras no ADN. Muitas vezes a ligação da droga é irreversível, mas se um garfo de replicação escorrer para a topoisomerase bloqueada, então um pedaço do filamento de DNA não ligado pela topoisomerase poderia enlutar-se, criando uma quebra permanente no DNA que leva à morte celular. A maioria desses inibidores são seletivos contra a topoisomerase I ou II, mas alguns podem ter como alvo ambas as enzimas.
Inibidores da topoisomerase I introduzem a quebra de uma única fibra no DNA, e podem funcionar através de uma variedade de mecanismos. Alguns medicamentos, como as ascamptotecinas, inibem a dissociação da topoisomerase e do DNA, levando a danos no DNA mediados por torções, que podem ser reparados de forma mais eficiente em células normais do que em células cancerígenas (deficientes para a reparação do DNA). Os inibidores da topoisomerase I também podem causar inativação de genes através de aberrações cromatídicas.
Inibidores da topoisomerase II, como as antraciclinas, estão entre os anti-cancerígenos mais amplamente utilizados. Estes medicamentos são potentes indutores de dupla quebra de cadeia no DNA, e podem causar parada no ciclo celular na faseG2, esta última ocorrendo por interromper a interação entre a betweentopoisomerase II e os reguladores do ciclo celular, como o Cdc2. Os inibidores da topoisomerase II podem causar uma gama mais ampla de aberrações cromossômicas, e podem agir ou estabilizando complexos topoisomerase II-DNA que são facilmente clivados, ou interferindo com a atividade catalítica da enzima, ambos resultando em quebras de dupla cadeia no DNA.
Existem também inibidores duplos que visam tanto a topoisomerase I quanto a II, o que aumenta a potência do efeito anti-cancerígeno. Estes fármacos funcionam por vários meios: através do reconhecimento de motivos estruturais presentes em ambas as enzimas, ligando inibidores separados da topoisomerase em um fármaco híbrido, ou utilizando inibidores que se ligam e intercalam o DNA.