DNA-topoisomerasers funktioner
Det finns ett antal olika typer av topoisomeras, var och en specialiserad på en annan aspekt av DNA-manipulering.
Accessing DNA
Under transkription och DNA-replikation måste DNA avvecklas för att transkriptions- och replikationsmaskineriet ska få tillgång till DNA så att det kan kopieras eller replikeras. Topoisomeras I kan göra enkelsträngade brott för att dessa processer ska kunna fortsätta.
För att ta bort DNA-superspiraler
Under transkription och DNA-replikation kan DNA-helixen bli antingen över- eller underspolad. Under DNA-replikation genererar till exempel replikationsgaffelns framfart positiva superspiraler framför replikationsmaskineriet och negativa superspiraler bakom det. Sådana spänningsproblem förekommer också när DNA transkriberas för att göra en RNA-kopia för proteinsyntes. Under dessa processer kan DNA:t vara så överspolat att det, om det inte kontrolleras, kan hindra framstegen för det berörda proteinmaskineriet. Detta förhindras av topoisomeras I, som gör enkelsträngade nickar för att slappna av spiralen.
Strandbrott under rekombination
Innan kromosomerna separeras från varandra under celldelningen kan de utbyta genetisk information genom en process som kallas rekombination, därfysiska bitar av DNA på en kromosom kan bytas ut mot DNA på den matchande systerkromosomen för att blanda om den genetiska informationen. Topoisomeras III kan införa enkelsträngsbrott som krävs för att DNA ska kunna utbytas mellan intilliggande kromosomer.
Kromosomkondensering
Under cellcykeln måste kromosomerna alternativt kondenseras och dekondenseras vid specifika stadier. Topoisomeras II (gyrase) fungerar som en molekylär motor och använder energin från ATP-hydrolys för att införa täta superspiraler i DNA-helixen för att kondensera kromosomen. Eftersom denna process måste vara starkt reglerad kan topoisomeras II bilda molekylära komplex med viktiga cellcykelregulatorer (t.ex. p53, TopBP1, 14-3-3 epsilon och Cdc2) för att se till att kromosomkondensationen sker vid rätt tidpunkt i cellcykeln.
Disetangering av sammanflätade DNA
När kromosomerna väl har replikerats måste de under celldelningen separeras och färdas till motsatta ändar av cellen för att bli en del av två separata dotterceller. Topoisomeras IV verkar för att avdramatisera de replikerade dottersträngarna genom att göra dubbelsträngsbrott som gör att den ena duplexen kan passera genom den andra.
Topoisomeraser som läkemedelsmåltavlor
Topoisomeraserhar stått i fokus för behandling av vissa sjukdomar. Bakteriell gyrase (topoisomeras II) och topoisomeras IV är måltavlor för två klasser av antibiotika: kinoloner och kumariner. Dessa antibiotika används för att behandla ett antal olika sjukdomar, t.ex. lunginflammation, tuberkulos och malaria, genom att hämma DNA-replikationen i den bakterie som är ansvarig.
Eukaryotiska topoisomeras I och II är måltavlor för ett ökande antal cancerläkemedel som verkar för att hämma dessa enzymer genom att blockera reaktionen som återförseglar brott i DNA. Ofta är läkemedlets bindning reversibel, men om en replikationsgaffel stöter på det blockerade topoisomeraset kan den del av DNA-strängen som inte är bunden av topoisomeraset frigöras, vilket skapar ett permanent brott i DNA:t som leder till celldöd. De flesta av dessa hämmare är selektiva mot antingen topoisomeras I eller II, men vissa kan rikta sig mot båda enzymerna.
Topoisomeras I-hämmare framkallar singelsträngsbrott i DNA och kan fungera på olika sätt. Vissa läkemedel, t.ex. kamptotheciner, hämmar dissociationen mellan topoisomeras och DNA, vilket leder till en replikationsmedierad DNA-skada, som kan repareras effektivare i normala celler än i cancerceller (med bristande DNA-reparationsförmåga). Topoisomeras I-hämmare kan också orsaka geninaktivering genom kromatidaberrationer.
Topoisomeras II-hämmare, t.ex. antracykliner, är bland de mest använda cancerbekämpningsmedlen. Dessa läkemedel är potenta inducerare av dubbelsträngsbrott i DNA och kan orsaka stopp i cellcykeln i G2-stadiet, vilket sker genom att störa interaktionen mellan topoisomeras II och reglerare av cellcykeln, t.ex. Cdc2. Topoisomeras II-hämmare kan orsaka ett bredare spektrum av kromosomavvikelser och kan verka genom att antingen stabilisera topoisomeras II-DNA-komplex som är lätta att klyva eller genom att störa enzymets katalytiska aktivitet, vilket i båda fallen resulterar i dubbelsträngsbrott i DNA:t.
Det finns också dubbla hämmare som riktar sig mot både topoisomeras I och II, vilket ökar styrkan i den cancerförebyggande effekten. Dessa läkemedel fungerar på olika sätt: genom att känna igen strukturella motiv som finns på båda enzymerna, genom att koppla ihop separata topoisomerashämmare till ett hybridläkemedel eller genom att använda hämmare som binder till och interkalerar DNA.