Funcțiile ADN topoizomerazelor

Există o serie de tipuri diferite de topoizomeraze, fiecare specializată într-un aspect diferit al manipulării ADN.

Accesul la ADN

În timpul transcripției și al replicării ADN-ului, ADN-ul trebuie să fie derulat pentru ca mașinăria de transcripție/replicare să aibă acces la ADN, astfel încât acesta să poată fi copiat sau, respectiv, replicat. Topoizomeraza I poate produce rupturi monocatenare pentru a permite desfășurarea acestor procese.

Îndepărtarea superbobinelor de ADN

În timpultranscrierii și replicării ADN-ului, helixul de ADN poate deveni fie supraînfășurat, fie subînfășurat. De exemplu, în timpul replicării ADN-ului, progresul furcii de replicare generează superbobine pozitive în fața mașinăriei de replicare și superbobine negative în spatele acesteia. Astfel de probleme de tensiune există, de asemenea, în timpul transcrierii ADN-ului pentru a realiza o copie ARN pentru sinteza proteinelor. În timpul acestor procese, ADN-ul poate fi supraînfășurat într-o asemenea măsură încât, dacă nu este controlat, ar putea împiedica progresul mașinăriei proteice implicate. Acest lucru este împiedicat de topoizomeraza I, care face nicks cu un singur catenar pentru a relaxa helixul.

Ruptură de catenă în timpul recombinării

Înainte ca cromozomii să se separe unul de celălalt în timpul diviziunii celulare, ei pot face schimb de informații genetice printr-un proces cunoscut sub numele de recombinare, în care bucăți fizice de ADN de pe un cromozom pot fi schimbate cu ADN de pe cromozomul frate care se potrivește pentru a amesteca informațiile genetice. Topoizomeraza III poate introduce rupturi monocatenare care sunt necesare pentru ca ADN-ul să fie schimbat de cromozomii adiacenți.

Condensarea cromozomilor

În timpul ciclului celular, cromozomii trebuie să fie alternativ condensați și decondensificați în etape specifice. Topoizomeraza II(girasa) acționează ca un motor molecular, folosind energia obținută din hidroliza ATP-ului pentru a introduce supraînfășurări strânse în helixul de ADN pentru a condensa cromozomul. Deoarece acest proces trebuie să fie foarte bine reglementat, topoizomeraza II poate forma complexe moleculare cu regulatori importanți ai ciclului celular (cum ar fi p53, TopBP1, 14-3-3 epsilon și Cdc2) pentru a se asigura că condensarea cromozomului are loc la momentul potrivit în ciclul celular.

Dezlegarea ADN-ului împletit

În timpul diviziunii celulare, odată ce cromozomii au fost replicați, ei trebuie să se separe și să se deplaseze la capetele opuse ale celulei pentru a deveni parte din două celule-fiice separate. Topoizomerazele IV acționează pentru a dezmembra șirurile fiice replicate, realizând rupturi de dublu șir care permit unui duplex să treacă prin celălalt.

Topoizomerazele ca ținte medicamentoase

Topoizomerazele au fost în centrul atenției pentru tratamentul anumitor boli. Girasa bacteriană (topoizomeraza II) șitopoizomeraza IV sunt țintele a două clase de medicamente antibiotice: chinoloneleși cumarinele. Aceste antibiotice sunt utilizate pentru a trata un sortiment de boli diferite, cum ar fi pneumonia, tuberculoza și malaria, prin inhibarea replicării ADN-ului în bacteriile responsabile.

Topisomerazele I și II eucariote sunt țintele unui număr tot mai mare de medicamente anticancerigene care acționează pentru a inhiba aceste enzime prin blocarea reacției care reface rupturile din ADN. Adesea, legarea medicamentului este reversibilă, dar dacă o furcă de replicare se întâlnește cu topoizomeraza blocată, o bucată din șuvița de ADN care nu este legată de topoizomerază ar putea fi eliberată, creând o ruptură permanentă în ADN care duce la moartea celulei. Cei mai mulți dintre acești inhibitori sunt selectivi împotriva topoizomerazei I sau II, dar unii pot viza ambele enzime.

Inhibitorii topoizomerazei I induce rupturi monocatenare în ADN și pot acționa printr-o varietate de mecanisme. Unele medicamente, cum ar fi asamptotecinele, inhibă disocierea topoizomerazei și a ADN-ului, ceea ce duce la leziuni ale ADN-ului mediate de replicare, care pot fi reparate mai eficient în celulele normale decât în celulele canceroase (deficitare pentru repararea ADN-ului). Inhibitorii topoizomerazei I pot provoca, de asemenea, inactivarea genelor prin aberații cromatidice.

Inhibitorii topoizomerazei II,cum ar fi antraciclinele, sunt printre cei mai utilizați agenți anticancerigeni. Aceste medicamente sunt inductori puternici de rupturi de dublu catenar în ADN și pot provoca oprirea ciclului celular în stadiul G2, aceasta din urmă având loc prin întreruperea interacțiunii dintrepoizomeraza II și regulatorii ciclului celular, cum ar fi Cdc2. Inhibitorii topoizomerazei II pot provoca o gamă mai largă de aberații cromozomiale și pot acționa fie prin stabilizarea complexelor topoizomerază II-ADN care sunt ușor de scindat, fie prin interferarea cu activitatea catalitică a enzimei, ambele având ca rezultat rupturi de dublu catenar în ADN.

Există, de asemenea, inhibitori dubli care țintesc atât topoizomeraza I, cât și pe cea II, ceea ce sporește potența efectului anticancerigen. Aceste medicamente acționează printr-o varietate de mijloace: prin recunoașterea motivelor structurale prezente pe ambele enzime,prin legarea unor inhibitori de topoizomerază separați împreună într-un medicament hibrid sau prin utilizarea unor inhibitori care se leagă și intercalează ADN-ul.