Topoizomerázok ( eng. topoisomerase ) - a DNS topológiáját befolyásoló enzimek - izomerázok osztálya [1] . A topoizomerázok képesek lazítani a szupertekervényes DNS-molekulákat azáltal, hogy egy- vagy kétszálú megszakításokat vezetnek be, majd helyreállítást (ligálást) követnek [2] . Bizonyos esetekben azonban a topoizomerázok negatív szupertekercseket vagy katenánokat juttathatnak a DNS-be [3] .
A topoizomerázokat először a Harvard Egyetem professzora, James Wong írta le [4] .
A topoizomerázok, amelyek elősegítik a DNS-láncok kettős hélixben történő feltekerését, fontos szerepet játszanak a replikációs és transzkripciós folyamatokban . Kimutatták a topoizomerázok szerepét a kromatin hurkok képződésében a kromoszóma kondenzáció során [3] . A vírus DNS integrációja a gazda kromoszómáiba és a rekombináció egyéb formái szintén megkövetelik a topoizomerázok jelenlétét [5] .
A hatásmechanizmustól függően a topoizomerázokat I-es típusú topoizomerázokra osztják, amelyek energiafogyasztás nélkül hoznak létre egyszálú töréseket, és II-es típusú topoizomerázokra, amelyek kétszálú töréseket hoznak létre ATP -felhasználással . A topoizomerázok között különleges helyet foglal el a DNS-giráz , amely az E. colira jellemző [2] .
Az alábbi táblázat felsorolja a különböző típusú topoizomerázok főbb jellemzőit:
| Topoizomerázok | IA | IB | IIA | IIB |
|---|---|---|---|---|
| Fémionok szükségessége _ | Igen | Nem | Igen | Igen |
| Az ATP-től való függés | Nem | Nem | Igen | Igen |
| Rés | ots | ots | dts | dts |
| Melléklet vége | 5' | 3' | 5' | 5' |
| A szupertekercsek számának megváltoztatása | ±1 | ±1 | ±2 | ±2 |
A topoizomerázok I (EC 5.99.1.2)monomer fehérjék. Lazítják a DNS-t, egyszálú megszakításokat vezetnek be ATP fogyasztása nélkül. Ez a mechanizmus. Az egyszálú törések bevezetése atirozinaminosav- , amelynukleofiltámadástfoszfátcsoportja, és foszfotirozint képez [6] . Az enzim maga kötődik a lánc felszabadult 3' vagy 5' végéhez. Attól függően, hogy a topoizomeráz melyik véghez kapcsolódik, a következők:
Egy ilyen hatásmechanizmus nem igényel energiafelhasználást, azaz az I-es típusú topoizomerázok működése során nem fogyaszt ATP-t [6] . A fordulatok száma 1-gyel változik [3] .
Az első I-es típusú topoizomerázt, mint már említettük, E. coli sejtekben izolálták . Az ilyen típusú topoizomerázokat 1972-ben fedezték fel emlőssejtekben , majd élesztősejtekben . Az I-es típusú topoizomerázok ismertek az archaeákban, például a Desulfurococcus amylolyticus termofil archaea IA-topoizomeráza , valamint néhány vírus, például a himlővírus [7] .
A topoizomeráz II (EC 5.99.1.3)prokariótákbantetramerkénteukariótákbandimerkéntműködik. Mindkét DNS-szálon ATP-függő hasítást hajtanak végre, majd a szálakat a résen keresztül továbbítják és ligáljuk. A hasítás annak köszönhető, hogy a topoizomeráz tirozinok kötődnek a DNS-hez, így két 5'-foszfodiészter kötés. Egy másik kettős szálú DNS megy át a törésbe. Így a pozitív vagy negatív szupertekercsek száma 2-vel változik (és nem 1-gyel, mint az I. topoizomerázoknál). Így a topoizomeráz II DNS-csomókat katenálhat és dekatenálhat. Az ilyen típusú DNS-giráz negatív szupertekercseket vezet be [8] .
A II topoizomerázok, az I. topoizomerázokhoz hasonlóan, 2 csoportra oszthatók: IIA és IIB . Az IA, IIA és IIB topoizomerázok szerkezetének elemzése azonban feltárta nagy szerkezeti hasonlóságukat, különösen a fémionokhoz kötődő speciális redő jelenlétét [ 9 ] .
Az alábbi táblázat röviden jellemzi a különböző szervezetekből izolált, különböző osztályokba tartozó topoizomerázokat [9] .
| topoizomeráz | Típusú | szervezet | Az alegység mérete (kDa) és szerkezete | Sajátosságok |
|---|---|---|---|---|
| Bakteriális topoizomeráz I (ω-protein) | IA | Baktériumok (beleértve az E. colit is ) | 97; monomer | Képtelen lazítani a pozitív szupertekercseket |
| Eukarióta topoizomeráz I | IB | Eukarióták (beleértve az embert is) | 91; monomer | Lazíthatja a pozitív és negatív szupertekercseket egyaránt |
| A vaccinia vírus topoizomeráz I | IB | vaccinia vírus | 37; monomer | Az ATP serkenti az enzimaktivitást |
| Topoizomeráz III | IA | Baktériumok (beleértve az E. colit is ) | 73; monomer | Erős dekatenációs aktivitással rendelkezik |
| Inverz giráz | IA | Termofil archaea (beleértve a Sulfolobus acidocaldariust | 143; monomer | ATP-függően képes pozitív szupertekercseket bevinni a DNS-be |
| DNS giráz | IIA | Baktériumok (beleértve az E. colit ), néhány alacsonyabb rendű eukarióta | 97 és 99 A 2 B 2 | ATP-függően képes negatív szupertekercseket bevinni a DNS-be |
| T4-topoizomeráz | IIA | Fág T4 | 58., 51. és 18.; 2 példány minden alegységből | Lazítja a DNS-t, de nem tekercsel fel (ATP-függő) |
| Eukarióta topoizomeráz II | IIA | Eukarióták (beleértve az embert is) | 174; homodimer | Lazítja a DNS-t, de nem tekercsel fel (ATP-függő) |
| Topoizomeráz IV | IIA | Baktériumok (beleértve az E. colit is ) | 84 és 70 C 2 E 2 | Lazítja a DNS-t, de nem tekercsel fel, erős dekatenáz (ATP-függő) |
| Topoizomeráz VI | IIB | Archaea (beleértve a Sulfolobus shibatae-t ) | 45 és 60 A 2 B 2 | Lazítja a DNS-t, de nem tekercsel fel (ATP-függő) |
A topoizomerázok fontos szerepet játszanak a sejtnövekedési és osztódási folyamatokban , ezért gyakran célpontjai különböző gyógyszereknek [9] – a topoizomerázok gátlóinak .
Tehát a DNS-giráz és a hozzá közel álló topoizomeráz IV az antibakteriális gyógyszerek két fő csoportjának célpontja: a kinolonok és a kumarinok . A kinolonok (beleértve a nalidixsavat és a ciprofloxacint ) feltehetően blokkolják a giráz szakadási és lekötési lépését. A kumarinok (köztük a novobiocin és a kumermicin A 1 ) egészen más módon hatnak: gátolja az ATP giráz általi hidrolízisét [9] .
Az eukarióta topoizomerázok is számos gyógyszer célpontjai, különösen a rákellenes gyógyszerek . Például a kamptotecin rákellenes gyógyszer , amelynek származékait széles körben használják a rákellenes kemoterápiában , ugyanúgy hat a humán topoizomeráz I-re, mint a kinolonok a girázra [9] .
Amellett, hogy az antibiotikumok és a rákellenes gyógyszerek célpontjai, a topoizomerázok a toxinok célpontjaiként is működhetnek . Így a Ccdb bakteriális toxin a girázra hat. A Ccdb egy kicsi, 11,7 kDa-os fehérje. A toxin-antitoxin rendszer része, komplexet képez egy másik fehérjével, a Ccda-val, és szerepet játszik az E. coli F-plazmid stabilizálásában . Az F-plazmid elvesztése a viszonylag instabil Ccda elvesztéséhez vezet. Ennek eredményeként a Ccdb felszabadul, blokkolja a girázt, és ezáltal elpusztítja a gazdasejtet. Az ilyen toxinok hatásmechanizmusának tanulmányozása új ötleteket adhat új giráz inhibitorok kifejlesztéséhez [9] .
Az alábbi táblázat információkat tartalmaz a különböző topoizomeráz-gátlókról [9] :
| Inhibitor | Topoizomeráz célpont | Terápiás akció |
|---|---|---|
| kinolonok (beleértve a ciprofloxacint is ) | DNS giráz és topoizomeráz IV | Hatékony antibakteriális szerek |
| Kumarinok (beleértve a novobiocint ) | DNS giráz és topoizomeráz IV | Antibiotikumok , de nem használják széles körben |
| Kamptotecinek (beleértve a topotekánt is ) | Humán topoizomeráz I | Rákellenes gyógyszerek |
| Amsacrine (mAMSA) | Humán topoizomeráz II | Rákellenes gyógyszerek |
| Podofillotoxinok (beleértve a tenipozidot ) | Humán topoizomeráz II | Rákellenes gyógyszerek |
| DNS replikáció | |||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Megindítás, inicializálás |
| ||||||
| Megnyúlás |
| ||||||
| Felmondás | |||||||