Funciones de las topoisomerasas de ADN
Hay varios tipos diferentes de topoisomerasas, cada una especializada en un aspecto diferente de la manipulación del ADN.
Acceso al ADN
Durante la transcripción y la replicación del ADN, el ADN debe desenrollarse para que la maquinaria de transcripción/replicación pueda acceder al ADN para que se copie o replique, respectivamente. La topoisomerasa I puede realizar roturas monocatenarias para permitir que estos procesos se lleven a cabo.
Eliminación de las supercópulas del ADN
Durante la transcripción y la replicación del ADN, la hélice del ADN puede quedar demasiado enrollada o poco enrollada. Por ejemplo, durante la replicación del ADN, el avance de la horquilla de replicación genera superenrollamientos positivos por delante de la maquinaria de replicación y superenrollamientos negativos por detrás. Estos problemas de tensión también existen cuando se transcribe el ADN para hacer una copia de ARN para la síntesis de proteínas. Durante estos procesos, el ADN puede sobreenrollarse hasta tal punto que, si no se controla, podría impedir el progreso de la maquinaria proteica implicada. Esto se evita con la topoisomerasa I, que hace nicks de una sola hebra para relajar la hélice.
Ruptura de hebras durante la recombinación
Antes de que los cromosomas se separen unos de otros durante la división celular, son capaces de intercambiar información genética a través de un proceso conocido como recombinación, en el que trozos físicos de ADN de un cromosoma pueden intercambiarse por ADN del cromosoma hermano correspondiente para barajar la información genética. La topoisomerasa III puede introducir roturas de una sola hebra que son necesarias para que el ADN sea intercambiado por cromosomas adyacentes.
Condensación del cromosoma
Durante el ciclo celular, los cromosomas deben condensarse y descondensarse alternativamente en etapas específicas. La topoisomerasa II (girasa) actúa como motor molecular, utilizando la energía obtenida de la hidrólisis del ATP para introducir superenrollamientos apretados en la hélice del ADN con el fin de condensar el cromosoma. Dado que este proceso debe estar muy regulado, la topoisomerasa II puede formar complejos moleculares con importantes reguladores del ciclo celular (como p53, TopBP1, 14-3-3 épsilon y Cdc2) para garantizar que la condensación del cromosoma se produzca en el momento correcto del ciclo celular.
Desenredar el ADN entrelazado
Durante la división celular, una vez que los cromosomas se han replicado, deben separarse y viajar a extremos opuestos de la célula para formar parte de dos células hijas separadas. La topoisomerasa IV actúa para desentrañar las hebras hijas replicadas realizando roturas de doble cadena que permiten que un dúplex pase a través del otro.
Las topoisomerasas como objetivos farmacológicos
Las topoisomerasas han sido el centro de atención para el tratamiento de ciertas enfermedades. La girasa bacteriana (topoisomerasa II) y la topoisomerasa IV son las dianas de dos clases de fármacos antibióticos: las quinolonas y las cumarinas. Estos antibióticos se utilizan para tratar una serie de enfermedades diferentes, como la neumonía, la tuberculosis y la malaria, mediante la inhibición de la replicación del ADN en las bacterias responsables.
Las topoisomerasas I y II eucariotas son las dianas de un número cada vez mayor de fármacos contra el cáncer que actúan para inhibir estas enzimas mediante el bloqueo de la reacción que vuelve a sellar las roturas en el ADN. A menudo, la unión del fármaco es reversible, pero si una horquilla de replicación se topa con la topoisomerasa bloqueada, podría liberarse un trozo de la cadena de ADN abierta que no está unida a la topoisomerasa, creando una rotura permanente en el ADN que conduce a la muerte celular. La mayoría de estos inhibidores son selectivos contra la topoisomerasa I o II, pero algunos pueden dirigirse a ambas enzimas.
Los inhibidores de la topoisomerasa I inducen roturas de una sola hebra en el ADN y pueden actuar por diversos mecanismos. Algunos fármacos, como las ascamtotecinas, inhiben la disociación de la topoisomerasa y el ADN, lo que provoca daños en el ADN mediados por la replicación, que pueden repararse más eficazmente en las células normales que en las cancerosas (deficientes en la reparación del ADN). Los inhibidores de la topoisomerasa I también pueden provocar la inactivación del gen a través de aberraciones cromáticas.
Los inhibidores de la topoisomerasa II, como las antraciclinas, se encuentran entre los agentes anticancerígenos más utilizados. Estos fármacos son potentes inductores de roturas de doble cadena en el ADN y pueden provocar la detención del ciclo celular en la fase G2, lo que ocurre al interrumpir la interacción entre la topoisomerasa II y los reguladores del ciclo celular, como Cdc2. Los inhibidores de la topoisomerasa II pueden provocar una amplia gama de aberraciones cromosómicas y pueden actuar estabilizando los complejos topoisomerasa II-ADN, que se escinden fácilmente, o interfiriendo en la actividad catalítica de la enzima, lo que da lugar a roturas de doble cadena en el ADN.
También existen inhibidores duales que se dirigen tanto a la topoisomerasa I como a la II, lo que aumenta la potencia del efecto anticancerígeno. Estos fármacos actúan por diversos medios: reconociendo motivos estructurales presentes en ambas enzimas, uniendo inhibidores de la topoisomerasa separados en un fármaco híbrido o utilizando inhibidores que se unen al ADN y lo intercalan.