TOPOISOMERASES: CARACTERÍSTIQUES, FUNCIONS, TIPUS I INHIBIDORS - BIOLOGIA - 2025

Les topoisomerases són un tipus d'enzims isomerasas que modifiquen la topologia de l'àcid desoxiribonucleic (ADN), generant tant la seva desenrollamiento com la seva enrotllament i superenrotllament.

Aquests enzims tenen un paper específic en l'alleujament de la tensió torsional en l'ADN perquè puguin ocórrer processos tan importants com la seva replicació, la transcripció de l'ADN en àcid ribonucleic missatger (ARNm) i la recombinació de l'ADN.

Figura 1. topoisomerasa II. Font: EMW, from Wikimedia Commons

Els enzims topoisomerases es troben presents tant en cèl·lules eucariotes com en cèl·lules procariotes. La seva existència va ser predita pels científics Watson i Crick, a l'avaluar les limitacions que l'estructura de l'ADN presentava per permetre l'accés a la seva informació (emmagatzemada en la seva seqüència de nucleòtids).

Per comprendre les funcions de les topoisomerases, s'ha de considerar que l'ADN té una estructura estable de doble hèlix, amb les seves cadenes enrotllades una sobre l'altra.

Aquestes cadenes lineals estan constituïdes per 2-desoxiribosas unides per enllaços fosfodiéster 5'-3 ', i bases nitrogenades en el seu interior, com els esglaons d'una escala en forma de cargol.

Figura 2. Molècula d'ADN. Font:

L'estudi topològic de les molècules d'ADN ha demostrat que aquestes poden assumir diverses conformacions dependents de la seva tensió de torsió: des d'un estat relaxat, fins a diferents estats d'enrotllament que permeten la seva compactació.

Les molècules d'ADN amb diferents conformacions són cridades topoisómeros. Així, podem concloure que les topoisomerases I i II, poden augmentar o disminuir la tensió de torsió de les molècules d'ADN, formant les seves diferents topoisómeros.

Entre els topoisómeros de l'ADN possibles, la conformació més comuna és la de superenrotllament, la qual és molt compacta. No obstant això, la doble hèlix de l'ADN ha de ser també desenrotllada per les topoisomerases durant diversos processos moleculars.

Característiques

Mecanisme d'acció general

Algunes topoisomerases poden relaxar solament superenrollamientos negatius de l'ADN, o tots dos superenrollamientos de l'ADN: positius i negatius.

Si l'ADN bicatenari circular es desenrotlla sobre el seu eix longitudinal i es produeix una volta levogira (en sentit de les agulles de el rellotge), es diu que està superenrotllada negativament. Si la volta resulta dextrogira (en sentit contrari a les agulles de el rellotge), està superenrotllada positivament.

Figura 3. ADN bicatenari circular superenrotllat negativament, relaxat i superenrotllat positivament. Font: Fdardel, from Wikimedia Commons

Bàsicament, les topoisomerases poden:

Facilitar el pas d'un bri d'ADN a través d'un tall en el bri oposada (topoisomerasa tipus I).

Facilitar el pas d'una doble hèlix completa a través d'una escissió en si mateixa, o mitjançant una escissió en una altra doble hèlix diferent (topoisomerasa tipus II).

En resum, les topoisomerases actuen a través de l'escissió d'enllaços fosfodiéster, en una o en els dos brins que componen l'ADN. Després modifiquen l'estat d'enrotllament dels fils d'una doble hèlix (topoisomerasa I) o de dues dobles hèlixs (topoisomerasa II), per finalment tornar a empatar o lligar els extrems escindits.

Topoisomerases i cicle cel·lular

Tot i que la topoisomerasa I és un enzim que presenta major activitat durant la fase S (síntesi d'ADN), no es considera que sigui dependent d'una fase de l'cicle cel·lular.

Mentre que l'activitat topoisomerasa II és més activa durant la fase logarítmica de el creixement cel·lular i en les cèl·lules dels tumors de creixement ràpid.

funcions

L'alteració dels gens que codifiquen les topoisomerases resulta letal per a les cèl·lules, evidenciant la importància d'aquests enzims. Entre els processos en els quals les topoisomerases participen, es troben:

Emmagatzematge compacte de el material genètic

Les topoisomerases faciliten l'emmagatzematge d'informació genètica de manera compacta, pel fet que generen el enrotllament i superenrotllament de l'ADN, permetent que gran quantitat d'informació es trobi en un volum relativament petit.

Accés a la informació genètica

Si no existissin les topoisomerases i les seves característiques úniques, seria impossible l'accés a la informació emmagatzemada en l'ADN. Això es deu al fet que les topoisomerases alliberen periòdicament la tensió per torsió que es genera en la doble hèlix d'ADN, durant la seva desenrollamiento, en els processos de replicació, transcripció i recombinació.

Figura 4. Replicació de l'ADN. Vegeu la topoisomerasa a l'inici de la forquilla de l'ADN. Font: LadyofHats translated by Miguelsierra, via Wikimedia Commons

Si no alliberar la tensió per torsió generada durant aquests processos, es podria produir una expressió gènica defectuosa, la interrupció de l'ADN circular o cromosoma, fins i tot produint-se la mort cel·lular.

Regulació de l'expressió gènica

Els canvis conformacionals (en l'estructura tridimensional) de la molècula d'ADN, exposen a l'exterior regions específiques, que poden interactuar amb proteïnes d'unió a l'ADN. Aquestes proteïnes tenen una funció reguladora de l'expressió genètica (positiva o negativa).

Figura 5. Proteïna reguladora de la expression genètica, en aquest cas impedeix l'expressió de certs gens. Zephyris at the English language Wikipedia

Així, l'estat d'enrotllament de l'ADN, generat per acció de les topoisomerases, afecta la regulació de l'expressió genètica.

Particularitats de la topoisomerasa II

La topoisomerasa II és necessària per a l'acoblament de les cromàtides, la condensació i descondensació dels cromosomes i la segregació de molècules filles d'ADN durant la mitosi.

Aquest enzim és també una proteïna estructural i un dels principals constituents de la matriu de l'nucli cel·lular durant la interfase.

Tipus de topoisomerases

Hi ha dos tipus principals de topoisomerases depenent de si són capaços d'escindir una o dues cadenes d'ADN.

-Topoisomerasas tipus I

monomèriques

Les topoisomerases de tipus I són monòmers que alleugen superenrollamientos negatius i positius, que es produeixen pel moviment de la forquilla durant la transcripció, i durant els processos de replicació i de recombinació gènica.

Les topoisomerases tipus I es poden subdividir en tipus 1A i tipus 1B. Aquestes últimes són les que es troben en els humans, i són responsables de relaxar l'ADN superenrotllat.

Tirosina al seu lloc actiu

La topoisomerasa 1B (Top1B) està formada per 765 aminoàcids dividits en 4 dominis específics. Un d'aquests dominis presenta una àrea altament conservada que conté el lloc actiu amb tirosina (Tyr7233). Totes les topoisomerases presenten al seu lloc actiu un tirosina amb un paper fonamental en tot el procés catalític.

Mecanisme d'acció

La tirosina de el lloc actiu forma un enllaç covalent amb l'extrem 3'-fosfat de la cadena de l'ADN, tallant i mantenint unida a l'enzim, mentre passa una altra cadena d'ADN a través de l'escissió.

El pas de l'altre bri d'ADN a través del bri escindida, s'aconsegueix gràcies a una transformació conformacional de l'enzim, que produeix l'obertura de la doble hèlix de l'ADN.

Després la topoisomerasa I torna al seu conformació inicial i lliga novament els extrems escindits. Això passa per un procés invers a la ruptura de la cadena d'ADN, en el lloc catalític de l'enzim. Finalment, la topoisomerasa allibera el bri d'ADN.

La taxa de lligació de l'ADN és major a la taxa d'escissió, amb la qual cosa s'assegura l'estabilitat de la molècula i la integritat de l'genoma.

En resum, la topoisomerasa tipus I catalitza:

1. L'escissió d'un fil.
2. El pas de l'altre bri a través de l'escissió.
3. La lligació dels extrems escindits.

-Topoisomerasas tipus II

dimèriques

Les topoisomerases de tipus II són enzims dimèriques, que s'escindeixen dues cadenes de l'ADN, relaxant així els superenrollamientos que es generen durant la transcripció i altres processos cel·lulars.

Dependents de Mg

Aquests enzims necessiten magnesi (Mg ⁺⁺) ia més necessiten l'energia que prové del trencament de l'enllaç trifosfat d'l'ATP, que aprofiten gràcies a una ATPasa.

Dos llocs actius amb tirosina

Les topoisomerases II humanes són molt similars a les del llevat (Saccharomyces cerevisiae), la qual està conformada per dos monòmers (subfragmentos A i B). Cada monòmer presenta un domini ATPasa, i en un subfragmento el lloc actiu tirosina 782, a la qual pot unir-se l'ADN. Per tant, poden unir-se dos brins d'ADN a la topoisomerasa II.

Mecanisme d'acció

El mecanisme d'acció de la topoisomerasa II és igual a el descrit per a la topoisomerasa I, considerant que s'escindeixen dues cadenes d'ADN i no només un.

Al lloc actiu de la topoisomerasa II s'estabilitza (a través d'una unió covalent amb tirosina) un fragment de doble hèlix d'ADN, anomenat "fragment G". Aquest fragment és escindit i mantingut unit a el lloc actiu per enllaços covalents.

Després, l'enzim permet que un altre fragment d'ADN, anomenat "fragment T", passi a través de l'fragment escindit "G", gràcies a un canvi conformacional de l'enzim, el qual és depenent de la hidròlisi d'ATP.

La topoisomerasa II lliga els dos extrems del "fragment G" i finalment recupera el seu estat inicial, alliberant el fragment "G". Llavors, l'ADN relaxa la tensió de torsió, permetent que passin els processos de replicació i transcripció.

-Topoisomerasas humanes

El genoma humà té cinc topoisomerases: top1, top3α, top3β (de l'tipus I); i top2α, top2β (de l'tipus II). Les topoisomerases humanes més rellevants són la top1 (topoisomerasa tipus IB) i la 2α (topoisomerasa tipus II).

Inhibidors de les topoisomerases

-Topoisomerasas com a objectiu d'atac químic

A causa que els processos catalitzats per les topoisomerases són necessaris per a la supervivència de les cèl·lules, aquests enzims són bon blanc d'atac per a afectar les cèl·lules malignes. Per això, les topoisomerases es consideren importants en el tractament de moltes malalties humanes.

Els fàrmacs que interactuen amb les topoisomerases són actualment molt estudiats com a substàncies quimioterapéuticas contra cèl·lules canceroses (en diferents òrgans de el cos) i microorganismes patògens.

-Tipus d'inhibició

Els fàrmacs inhibidors de l'activitat topoisomerasa, poden:

• Intercalar-se en l'ADN.
• Afectar l'enzim topoisomerasa.
• Intercalar-se en una molècula propera a el lloc actiu de l'enzim mentre el complex ADN-topoisomerasa es troba estabilitzat.

L'estabilització de l'complex transitori que es forma per la unió de l'ADN a la tirosina de el lloc catalític de l'enzim, impedeix la unió dels fragments escindits, la qual cosa pot conduir a la mort cel·lular.

-Fàrmacs inhibidors de les topoisomerases

Entre els compostos que inhibeixen les topoisomerases, es troben els següents.

antibiòtics antitumorals

Els antibiòtics són usats contra el càncer, ja que impedeixen el creixement de les cèl·lules de l'tumor, generalment interferint amb el seu ADN. Solen denominar-se antibiòtics antineoplàsics (contra el càncer). La actinomicina D, per exemple, afecta la topoisomerasa II i s'empra en tumors de Wilms en nens i en rabdomiosarcomes.

antraciclines

Les antraciclines són, entre els antibiòtics, dels més efectius fàrmacs anticancerígens i de més ampli espectre. S'usen en el tractament de càncer de pulmó, ovaris, úter, estómac, bufeta, mama, leucèmia i limfomes. Es coneix que afecta la topoisomerasa II per intercalació en l'ADN.

La primera antraciclina aïllada d'una actinobacteria (Streptomyces peucetius) va ser la daunorubicina. Posteriorment es va sintetitzar en el laboratori la doxorubicina, i actualment s'usen també la epirubicina, i la idarubicina.

antraquinones

Les antraquinones o antracenedionas són compostos derivats de l'antracè, similars a les antraciclines, que afecten l'activitat de la topoisomerasa II per intercalamiento en l'ADN. Són usades per al càncer de mama metastàtic, el limfoma no hodgkinià (LNH) i la leucèmia.

Aquests fàrmacs van ser trobats en els pigments d'alguns insectes, plantes (fràngula, sin, ruibarbre), líquens i fongs; així com en la hoelita, que és un mineral natural. Depenent de la seva dosi, poden ser cancerígenes.

Entre aquests compostos, tenim la mitoxantrona i el seu anàleg la losoxantrona. Aquests impedeixen la proliferació de cèl·lules tumorals malignes, unint-se a l'ADN de forma irreversible.

Epidofilotoxinas

Les podofilotoxinas, com les epidofilotoxinas (VP-16) i el tenipósido (VM-26), formen un complex amb la topoisomerasa II. Són usades contra el càncer de pulmó, testicular, leucèmia, limfomes, càncer d'ovari, carcinoma de mama i tumors intracranials malignes, entre d'altres. S'aïllen de les plantes Berberis notatum i P. peltatum.

Anàlegs de camptotecinas

Les campotecinas són compostos que inhibeixen la topoisomerasa I, i entre elles es troben la irinotecan, la topotecan i la diflomotecan.

Aquests compostos han estat usats contra el càncer de còlon, de pulmó i de mama, i s'obtenen de manera natural de l'escorça i de les fulles de l'espècie arbòria Camptotheca acuminata de les cornáceas xineses i de l'Tibet.

inhibició natural

Poden també ocórrer alteracions estructurals de les topoisomerases I i II de manera completament natural. Això pot succeir durant alguns esdeveniments que afecten el seu procés catalític.

Entre aquestes alteracions, es poden citar la formació de dímers de pirimidina, desajustos de bases nitrogenades i altres esdeveniments causats per l'estrès oxidatiu.

referències

1. Anderson, H., & Roberge, M. (1992). DNA topoisomerase II: A review of its involvement in chromosome structure, DNA replication, transcription and mitosi. Cell Biology International Reports, 16 (8): 717-724. doi: 10.1016 / s0309-1651 (05) 80.016-5
2. Chhatriwala, H., Jafri, N., & Salgia, R. (2006). A review of topoisomerase inhibition in lung cancer. Cancer Biology & Therapy, 5 (12): 1600-1607. doi: 10.4161 / cbt.5.12.3546
3. Ho, Y.-P., Au-Yeung, SCF, & To, KKW (2003). Platinum-based anticancer agents: Innovative design strategies and biological perspectives. Medicinal Research Reviews, 23 (5): 633-655. doi: 10.1002 / med.10038
4. Li, T.-K., & Liu, LF (2001). Tumor cell death induced by topoisomerase-Targeting drugs. Annual Review of Pharmacology and Toxicology, 41 (1): 53-77. doi: 10.1146 / annurev.pharmtox.41.1.53
5. Liu, LF (1994). DNA topoisomerases: Topoisomerase-Targeting Drugs. Academic Press. pp 307
6. Osheroff, N. and Bjornsti, M. (2001). DNA Topoisomerase. Enzymology and Drugs. Vol. II. Humana Press. pp 329.
7. Rothenberg, ML (1997). Topoisomerase I inhibitors: Review and update. Annals of Oncology, 8 (9), 837-855. doi: 10.1023 / a: 1008270717294
8. Ryan B. (2009, december 14). Topoisomerase 1 and 2.. Recuperat de youtube.com