טופואיזומראזות: מאפיינים, פונקציות, סוגים ומעכבים - ביולוגיה - 2025

טופואיזומראז הם אנזימים איזומראז סוג של שינוי בטופולוגיה של חומצה דאוקסיריבונוקלאית (DNA), יצירת שתי ההתרה שלה supercoiling המסולסל שלה.

לאנזימים אלו יש תפקיד ספציפי בהפגת מתחים פיתוליים ב- DNA, כך שיכולים להתרחש תהליכים חשובים כמו שכפול, תעתיק של DNA לחומצה ריבונוקלאית מסנג'רית (mRNA) ושילוב מחדש של DNA.

איור 1. טופואיזומראז II. מקור: Emw, מ- Wikimedia Commons

אנזימים טופואיזראזיים קיימים בתאים אוקיארוטיים וגם בתאים פרוקריוטיים. את קיומה ניבאו המדענים ווטסון וקריק, כאשר העריכו את המגבלות שמבנה ה- DNA הציג כדי לאפשר גישה למידע שלו (המאוחסן ברצף הנוקלאוטידים שלו).

כדי להבין את הפונקציות של טופואיזומראזות, יש לשקול את ה- DNA כמבנה יציב של סליל כפול, כשרצותיו פצועות זו על זו.

שרשראות ליניאריות אלה מורכבות מקשרים דו-דוקסיבריוזיים המקושרים על ידי קשרים פוספודיאסטר 5'-3 'ובסיסים חנקניים בפנים, כמו נגמרים של גרם מדרגות לולייני.

איור 2. מולקולת DNA. מקור: https://es.m.wikipedia.org/wiki/Archivo:3DScience_DNA_structure_labeled_a.jpg

המחקר הטופולוגי של מולקולות ה- DNA הראה כי הם יכולים לנקוט בקונפורציות שונות התלויות במתחם הפיתולי שלהם: ממצב רגוע למצב סלילי שונה המאפשר דחיסה.

מולקולות DNA עם קונפורמציות שונות נקראות טופואיזומרים. לפיכך, אנו יכולים להסיק כי טופואיזומראז I ו- II יכולים להגביר או להפחית את הלחץ הפיתולי של מולקולות ה- DNA, ויוצרים את הטופואיזומרים השונים שלהם.

מבין הטופואיזומרים הדנ"איים האפשריים, הקונפורמציה הנפוצה ביותר היא סליל-העל, שהוא קומפקטי מאוד. עם זאת, סליל ה- DNA הכפול חייב להיות מנוטרל על ידי טופואיזומראז גם במהלך תהליכים מולקולריים שונים.

מאפיינים

מנגנון פעולה כללי

חלק מהטופואיזראזות יכולות להרפות רק סלילי-על שליליים של DNA, או שניהם סלילי-על של DNA: חיוביים ושליליים.

אם ה- DNA העגול הכפול-מעגלי אינו מפותל על ציר האורך שלו ומתרחש פנייה שמאלה (עם כיוון השעון), נאמר שהוא מפותל באופן שלילי. אם הסיבוב הוא עם כיוון השעון (נגד כיוון השעון), הוא מפותל בצורה חיובית.

איור 3. איור 3. שלילי-DNA עגול-סלילי, רגוע וסובב-חיובי שלילי. מקור: Fdardel, מתוך ויקימדיה Commons

בעיקרון, טופואיזומראזות יכולות:

-הקל על מעבר גדיל DNA דרך חתך בגדול הנגדי (טופואיזומראז מסוג I).

- להקל על מעבר של סליל כפול שלם דרך המחשוף עצמו, או דרך המחשוף בסליל כפול אחר אחר (טופואיזומראז מסוג II).

לסיכום, טופואיזומראזות פועלות דרך המחשוף של קשרי פוספודיאסטר, בגד אחד או בשניהם המרכיבים DNA. לאחר מכן הם משנים את מצב הסליל של גדילי הסליל הכפול (טופואיזומראז I) או של שני מסוקים כפולים (טופואיזומראז II), כדי לקשור או לקשור סוף סוף את הקצוות המחוקקים.

טופואיזומראז ומחזור התא

למרות שטופואיזומראז I הוא אנזים המציג פעילות גבוהה יותר במהלך שלב ה- S (סינתזת DNA), הוא לא נחשב כתלותי בשלב של מחזור התא.

ואילו פעילות טופואיזומראז II פעילה יותר בשלב הלוגריתמי של צמיחת תאים ובתאים של גידולים הגדלים במהירות.

מאפיינים

שינוי הגנים המקודדים לטופואיזומראזות קטלני לתאים, ומוכיח את חשיבותם של אנזימים אלה. בין התהליכים בהם משתתפים טופואיזומראזות הם:

אחסון קומפקטי של חומר גנטי

טופואיזומראזים מקלים על אחסון של מידע גנטי בצורה קומפקטית, מכיוון שהם מייצרים סלילי DNA ו- coiling-super, ומאפשרים למצוא כמות גדולה של מידע בנפח קטן יחסית.

גישה למידע גנטי

ללא טופואיזומראזות ותכונותיהם הייחודיות, גישה למידע המאוחסן ב- DNA לא הייתה אפשרית. זה נובע מהעובדה כי טופואיזומראז משחרר מעת לעת את הלחץ הפיתולי הנוצר בסליל הכפול של ה- DNA, במהלך התפתלותו, בתהליכי שכפול, שעתוק ושילוב מחדש.

איור 4. שכפול DNA. ראה טופואיזומראז בתחילת סיכת שיער ה- DNA. מקור: LadyofHats שתורגם על ידי Miguelsierra, באמצעות Wikimedia Commons

אם הלחץ הפיתולי שנוצר בתהליכים אלה לא משתחרר, עלול להתרחש ביטוי גנטי לקוי, הפרעה של ה- DNA או הכרומוזום המעגלי, ואפילו לייצר מוות של תאים.

ויסות ביטוי גנים

שינויים בקונפורמציה (במבנה התלת ממדי) של מולקולת ה- DNA חושפים אזורים ספציפיים כלפי חוץ, שיכולים לתקשר עם חלבונים הקשורים ל- DNA. לחלבונים אלה תפקיד רגולטורי של ביטוי גנים (חיובי או שלילי).

איור 5. איור 5. חלבון רגולטורי של ביטוי גנים, במקרה זה הוא מונע ביטוי של גנים מסוימים. צפיריס בוויקיפדיה בשפה האנגלית

לפיכך, מצב התפתלות ה- DNA, הנוצר כתוצאה מפעולה של טופואיזומראז, משפיע על ויסות ביטוי הגנים.

ייחודיות של טופואיזומראז II

טופואיזומראז II נחוץ להרכבה של כרומטידים, לעיבוי ופירור הכרומוזומים ולהפרדה של מולקולות DNA בת בזמן המיטוזה.

אנזים זה הוא גם חלבון מבני ואחד המרכיבים העיקריים במטריקס גרעין התא בזמן הבמה.

סוגי טופואיזומראזות

ישנם שני סוגים עיקריים של טופואיזומראז, תלוי אם הם מסוגלים לחתוך גדיל DNA אחד או שניים.

-טופואיזומראזות סוג I

מונונרית

טופואיזומראזות מסוג 1 הם מונומרים שמקלים על סלילי-על שליליים וחיוביים, המיוצרים על ידי תנועת סיכות שיער במהלך התעתיק, ובזמן שכפול ותהליכי שילוב מחדש של גנים.

ניתן לחלק את הטופואיזראזים מסוג I לסוג 1A ולסוג 1B. האחרונים הם אלה שנמצאים בבני אדם, והם אחראיים על הרפיה של די.אן.איי סופר-סלילי.

טירוזין באתר הפעיל שלה

טופואיזומראז 1B (Top1B) מורכב מ- 765 חומצות אמינו המחולקות ל -4 תחומים ספציפיים. באחד מהתחומים הללו אזור שמור ביותר המכיל את האתר הפעיל טירוזין (Tyr7233). כל הטופואיזומראזים מציגים טירוזין באתר הפעיל שלהם עם תפקיד בסיסי בכל התהליך הקטליטי.

מנגנון פעולה

טירוזין האתר הפעיל יוצר קשר קוולנטי עם קצה ה- 3'-פוספט של גדיל ה- DNA, חותך אותו ומחזיק אותו מחובר לאנזים ואילו גדיל DNA אחר עובר דרך המחשוף.

מעבר גדיל ה- DNA האחר דרך הגדיל המפוצל מושג בזכות טרנספורמציה קונפורמטיבית של האנזים, המייצר את פתיחת הסליל הכפול של ה- DNA.

ואז הטופואיזראז הראשון חוזר לקונפורמציה הראשונית שלו וקושר שוב את הקצוות המחוקקים. זה מתרחש על ידי תהליך הפוך להתמוטטות שרשרת ה- DNA, באתר הקטליטי של האנזים. לבסוף, טופואיזומראז משחרר את גדיל ה- DNA.

שיעור קשירת ה- DNA גבוה משיעור הכריתה ובכך מבטיח את יציבות המולקולה ואת שלמות הגנום.

לסיכום, קטליזות טופואיזומראז מסוג I:

1. מחשוף של גדיל.
2. מעבר הגדיל האחר דרך המחשוף.
3. ליטוש הקצוות המחוקקים.

-טופואיזראזות מסוג II

דימריק

טופואיזומראזות מסוג II הם אנזימים דימריים, החותקים את שני גדילי ה- DNA, ובכך מרגיעים את סלילי העל הנוצרים במהלך שעתוק ותהליכים סלולריים אחרים.

Mg תלוי

אנזימים אלו זקוקים למגנזיום (Mg ⁺⁺ ) וגם זקוקים לאנרגיה שמקורה בשבירת הקשר הטריפוספט ATP, אותו הם מנצלים בזכות ATPase.

שני אתרים פעילים עם טירוזין

טופואיזראזות אנושיות II דומות מאוד לאלה של שמרים (Saccharomyces cerevisiae), המורכבת משני מונומרים (תת-חלקים A ו- B). לכל מונומר תחום ATPase, ובתחתית שבר האתר הפעיל טירוזין 782, אליו יכול DNA להיקשר. כך, שני גדילי DNA יכולים להיקשר לטופואיזומראז II.

מנגנון פעולה

מנגנון הפעולה של טופואיזומראז II זהה לזה שתואר עבור טופואיזומראז I, בהתחשב בכך ששני גדילי DNA מפוצלים ולא רק אחד.

באתר הפעיל של טופואיזומראז II, מתייצב שבר של סליל כפול של DNA, המכונה "שבר G" (באמצעות קשר קוולנטי לטירוזין). שבר זה נכרת ומוחזק יחד לאתר הפעיל על ידי קשרים קוולנטים.

לאחר מכן האנזים מאפשר לשבר DNA אחר, הנקרא "שבר T", לעבור דרך השבר הסדוק "G", בזכות שינוי קונפורמציה של האנזים, התלוי בהידרוליזה של ATP.

טופואיזומראז II קושר את שני הקצוות של "שבר ה- G" ולבסוף משחזר את מצבו ההתחלתי, ומשחרר את שבר ה- "G". לאחר מכן ה- DNA מרפה את הלחץ הפיתולי, ומאפשר להתרחש שכפול ותמלול.

-טופואיזראזות אנושיות

בגנום האנושי יש חמישה טופואיזומראזות: top1, top3α, top3β (סוג I); ו- top2α, top2β (מסוג II). הטופואיזומראזות האנושיות הרלוונטיות ביותר הן top1 (טופואיזומראז מסוג IB) ו- 2α (טופואיזומראז מסוג II).

מעכבי טופואיזומראז

טופואיזומראז כמטרה להתקפה כימית

מכיוון שהתהליכים המוזרזים על ידי טופואיזומראזות נחוצים להישרדותם של תאים, אנזימים אלה הם יעד טוב לתקיפה כדי להשפיע על תאים ממאירים. מסיבה זו טופואיזומראזות נחשבות חשובות לטיפול במחלות אנושיות רבות.

תרופות הקיימות אינטראקציה עם טופואיזומראזות נחקרות כיום באופן נרחב כחומרים כימותרפיים נגד תאים סרטניים (באיברים שונים בגוף) ומיקרואורגניזמים פתוגניים.

סוגים של עכבות

תרופות שמעכבות פעילות טופואיזומראז יכולות:

• סנדוויץ 'ב- DNA.
• השפיע על האנזים טופואיזומראז.
• התחברו במולקולה הקרובה לאתר הפעיל של האנזים תוך התייצבות קומפלקס ה- DNA-topoisomerase.

ייצוב המתחם החולף הנוצר על ידי קשירת DNA לטירוזין של האתר הקטליטי של האנזים, מונע קשירה של שברי שזור, מה שעלול להוביל למוות של תאים.

תרופות מעכבות טופואיזראז

בין התרכובות המעכבות טופואיזומראזות הם הבאים.

אנטיביוטיקה אנטי-גרורית

אנטיביוטיקה משמשת כנגד סרטן, מכיוון שהם מונעים את צמיחתם של תאי הגידול, בדרך כלל מפריעים ל- DNA שלהם. אלה נקראים לרוב אנטיביוטיקה אנטי-פלסטית (סרטן). Actinomycin D, למשל, משפיע על טופואיזומראז II ומשמש בגידולים בווילמס בילדים וברבדומיוסקרומות.

אנתרקריקלין

אנתרציקלינים הם בין האנטיביוטיקה, אחת התרופות היעילות ביותר נגד סרטן ועם הספקטרום הרחב ביותר. הם משמשים לטיפול בסרטן הריאה, השחלות, הרחם, הקיבה, השלפוחית, השד, הלוקמיה והלימפומות. ידוע שהוא משפיע על טופואיזומראז II על ידי אינטראקציה ב- DNA.

האנתרציקלין הראשון שבודד מאקטינובקטריה (Streptomyces peucetius) היה דאונורוביצין. בהמשך סינתזה הדוקסורוביצין במעבדה, ואפירוביצין ואידרוביצין משמשים גם כיום.

אנתרקינונים

אנתרקינונים או אנתרקנדיונים הם תרכובות שמקורם באנתרסן, הדומים לאנתרקלינים, המשפיעים על פעילות טופואיזומראז II על ידי אינטרקציה ב- DNA. הם משמשים לסרטן שד גרורתי, לימפומה שאינה הודג'קין (NHL) ולוקמיה.

תרופות אלה נמצאו בפיגמנטים של חרקים מסוימים, צמחים (פרנגולה, סנה, ריבס), חזזיות ופטריות; כמו גם בהוליט, שהוא מינרל טבעי. בהתאם למינון שלך, הם יכולים להיות מסרטנים.

בין תרכובות אלה יש לנו מיטוקסנטרון והאנלוגי שלו, לוסוקסנטרון. אלה מונעים את התפשטותם של תאים סרטניים ממאירים, נקשרים ל- DNA באופן בלתי הפיך.

אפידופילוטוקסינים

פודופילוטוקסינים, כמו אפידופילוטוקסינים (VP-16) וטניפוזיד (VM-26), יוצרים קומפלקס עם טופואיזומראז II. הם משמשים כנגד סרטן ריאות, אשכים, לוקמיה, לימפומות, סרטן שחלות, סרטן השד וגידולים תוך גולגוליים ממאירים, בין היתר. נודדום Podophyllum ו- Peltatum מבודדים מצמחים.

אנלוגים של קמפטותצין

קמפטוצינים הם תרכובות המעכבות טופואיזומראז I, כולל אירינוטקאן, טופוטקאן ודיפלומוטקן.

תרכובות אלה שימשו כנגד סרטן המעי הגס, הריאה והשד, והן מתקבלות באופן טבעי מהקליפה והעלים של המין הזקני Camptotheca acuminata של קורנאסיה הסינית והטיבט.

עיכוב טבעי

שינויים מבניים של טופואיזומראז I ו- II יכולים להתרחש גם באופן טבעי. זה יכול לקרות במהלך אירועים מסוימים המשפיעים על התהליך הקטליטי שלך.

שינויים אלה כוללים היווצרות של דימרים פירמידינים, אי התאמות של בסיס חנקן ואירועים אחרים הנגרמים כתוצאה מלחץ חמצוני.

הפניות

1. אנדרסון, ה. ורוברג ', מ' (1992). DNA טופואיזומראז II: סקירה של מעורבותו במבנה הכרומוזום, שכפול DNA, תעתיק ומיטוזה. דוחות בינלאומיים לביולוגיה של התא, 16 (8): 717–724. doi: 10.1016 / s0309-1651 (05) 80016-5
2. Chhatriwala, H., Jafri, N., and Salgia, R. (2006). סקירה של עיכוב טופואיזומראז בסרטן ריאות. ביולוגיה וסרטן סרטן, 5 (12): 1600-1607. doi: 10.4161 / cbt.5.12.3546
3. Ho, Y.-P., Au-Yung, SCF, & To, KKW (2003). סוכנים נגד סרטן מבוססי פלטינה: אסטרטגיות עיצוב חדשניות ונקודות מבט ביולוגיות. ביקורות מחקרים רפואיים, 23 (5): 633–655. doi: 10.1002 / med.10038
4. Li, T.-K., & Liu, LF (2001). מוות של תאים גידולים הנגרם על ידי תרופות למיקוד לטופואיזומראז. סקירה שנתית של פרמקולוגיה וטוקסיקולוגיה, 41 (1): 53–77. doi: 10.1146 / annurev.pharmtox.41.1.53
5. ליו, LF ​​(1994). DNA טופואיזומראזות: תרופות למיקוד לטופואיזומראז. עיתונות אקדמית. עמ '307
6. אושרוף, נ 'וביורנסטי, מ' (2001). DNA טופואיזומראז. אנזימולוגיה ותרופות. כרך ב '. הומאנה. עמ '329.
7. רוטנברג, מ.ל. (1997). מעכבי טופואיזומראז I: סקור ועדכן. Annals of Oncology, 8 (9), 837–855. doi: 10.1023 / a: 1008270717294
8. ראיין B. (2009, 14 בדצמבר). טופואיזומראז 1 ו -2 .. התאושש מ- youtube.com