TOPOIZOMERAZLAR: ÖZELLIKLERI, IŞLEVLERI, TÜRLERI VE INHIBITÖRLERI - BIYOLOJI - 2024

Topoizomerazların enzimler, deoksiribonükleik asit (DNA) topolojisine modifiye hem açılmasını üretilmesi ve kıvrılma gibi kendi üstüne sarılma bir tür izomeraz bulunmaktadır.

Bu enzimler, DNA üzerindeki burulma stresini hafifletmede spesifik bir role sahiptir, böylece replikasyonu, DNA'nın haberci ribonükleik aside (mRNA) transkripsiyonu ve DNA'nın rekombinasyonu gibi önemli işlemler meydana gelebilir.

Şekil 1. Topoizomeraz II. Kaynak: Emw, Wikimedia Commons'tan

Topoizomeraz enzimleri hem ökaryotik hem de prokaryotik hücrelerde bulunur. DNA yapısının bilgilerine erişime izin vermek için sunduğu sınırlamaları değerlendirirken (nükleotid dizisinde saklanan) bilim adamları Watson ve Crick tarafından varlığı tahmin edildi.

Topoizomerazların işlevlerini anlamak için DNA'nın, sarmalları birbirine sarılmış stabil bir çift sarmal yapıya sahip olduğu düşünülmelidir.

Bu doğrusal zincirler, 5'-3 'fosfodiester bağları ile bağlanan 2-deoksiribozdan ve spiral bir merdivenin basamakları gibi içerideki azotlu bazlardan oluşur.

Şekil 2. DNA molekülü. Kaynak: https://es.m.wikipedia.org/wiki/Archivo:3DScience_DNA_structure_labeled_a.jpg

DNA moleküllerinin topolojik çalışması, burulma gerilimlerine bağlı olarak çeşitli biçimlerde olabildiklerini göstermiştir: gevşemiş bir durumdan, sıkıştırılmalarına izin veren farklı kıvrılma durumlarına.

Farklı biçimlere sahip DNA moleküllerine topoizomerler denir. Bu nedenle, topoizomerazlar I ve II'nin, farklı topoizomerlerini oluşturarak DNA moleküllerinin burulma stresini artırabileceği veya azaltabileceği sonucuna varabiliriz.

Olası DNA topoizomerleri arasında en yaygın konformasyon, çok kompakt olan süper bobindir. Bununla birlikte, DNA çift sarmalı, çeşitli moleküler işlemler sırasında topoizomerazlar tarafından da çözülmelidir.

karakteristikleri

Genel etki mekanizması

Bazı topoizomerazlar, yalnızca negatif DNA süper bobinlerini veya DNA'nın her iki süper bobinini gevşetebilir: pozitif ve negatif.

Dairesel çift sarmallı DNA uzunlamasına ekseninde çözülürse ve sol elle (saat yönünde) bir dönüş meydana gelirse, bunun negatif olarak aşırı sargılı olduğu söylenir. Dönüş saat yönünde (saat yönünün tersine) ise, pozitif olarak aşırı sarılır.

Şekil 3. Negatif aşırı sargılı, gevşemiş ve pozitif şekilde aşırı sargılı dairesel çift sarmallı DNA. Kaynak: Fdardel, Wikimedia Commons'tan

Temel olarak topoizomerazlar şunları yapabilir:

-Zıt iplikteki (tip I topoizomeraz) bir kesikten bir DNA zincirinin geçişini kolaylaştırın.

- Tam bir çift sarmalın bir bölünmenin kendisinden veya başka bir farklı çift sarmaldaki (tip II topoizomeraz) bir yarılma yoluyla geçişini kolaylaştırın.

Özet olarak, topoizomerazlar, DNA'yı oluşturan bir veya her iki sarmalda fosfodiester bağlarının bölünmesi yoluyla etki eder. Daha sonra, bir çift sarmalın (topoizomeraz I) veya iki çift sarmalın (topoizomeraz II) sarmal halini nihayetinde yarılmış uçları yeniden bağlamak veya bağlamak için değiştirirler.

Topoizomerazlar ve hücre döngüsü

Topoizomeraz I, S fazı (DNA sentezi) sırasında daha yüksek aktivite sergileyen bir enzim olmasına rağmen, hücre döngüsünün bir fazına bağlı olduğu düşünülmemektedir.

Topoizomeraz II aktivitesi, hücre büyümesinin logaritmik fazında ve hızlı büyüyen tümör hücrelerinde daha aktiftir.

Özellikleri

Topoizomerazları kodlayan genlerin değiştirilmesi, hücreler için öldürücüdür ve bu enzimlerin önemini kanıtlar. Topoizomerazların katıldığı işlemler arasında şunlar vardır:

Genetik materyalin kompakt depolanması

Topoizomerazlar, genetik bilginin kompakt bir şekilde depolanmasını kolaylaştırır, çünkü DNA'nın sarılmasını ve aşırı sarılmasını sağlarlar ve görece küçük bir hacimde büyük miktarda bilginin bulunmasına izin verirler.

Genetik bilgiye erişim

Topoizomerazlar ve benzersiz özellikleri olmadan, DNA'da depolanan bilgilere erişim imkansız olurdu. Bunun nedeni, topoizomerazların, DNA çift sarmalında oluşan burulma gerilimi, çözülme sırasında, replikasyon, transkripsiyon ve rekombinasyon süreçlerinde periyodik olarak salmasıdır.

Şekil 4. DNA replikasyonu. DNA saç tokasının başlangıcındaki topoizomeraza bakın. Kaynak: LadyofHats, Miguelsierra tarafından, Wikimedia Commons aracılığıyla çevrilmiştir.

Bu işlemler sırasında oluşan burulma gerilimi serbest bırakılmazsa, kusurlu gen ifadesi meydana gelebilir, dairesel DNA veya kromozom kesintiye uğrayabilir, hatta hücre ölümüne neden olabilir.

Gen ifadesinin düzenlenmesi

DNA molekülünün konformasyonel değişiklikleri (üç boyutlu yapıda), DNA bağlayıcı proteinlerle etkileşime girebilen belirli bölgeleri dışarıya maruz bırakır. Bu proteinler, gen ifadesinin düzenleyici bir işlevine sahiptir (pozitif veya negatif).

Şekil 5. Gen ekspresyonunun düzenleyici proteini, bu durumda belirli genlerin ekspresyonunu engeller. İngilizce Wikipedia'da Zephyris

Bu nedenle, topoizomerazların etkisiyle üretilen DNA'nın kıvrılma durumu, gen ifadesinin düzenlenmesini etkiler.

Topoizomeraz II'nin özellikleri

Topoizomeraz II, kromatitlerin birleşmesi, kromozomların yoğunlaşması ve yoğunlaşması ve mitoz sırasında yavru DNA moleküllerinin ayrılması için gereklidir.

Bu enzim aynı zamanda yapısal bir proteindir ve fazlar arası sırasında hücre çekirdeği matrisinin ana bileşenlerinden biridir.

Topoizomeraz türleri

Bir veya iki DNA ipliğini bölebilir olup olmadıklarına bağlı olarak iki ana topoizomeraz türü vardır.

-Topoizomerazlar tip I

Monomerik

Tip I topoizomerazlar, transkripsiyon sırasında ve replikasyon ve gen rekombinasyon süreçleri sırasında firkete hareketi tarafından üretilen negatif ve pozitif süper bobinleri hafifleten monomerlerdir.

Tip I topoizomerazlar, tip 1A ve tip 1B olarak alt gruplara ayrılabilir. İkincisi insanlarda bulunanlardır ve süper sargılı DNA'yı gevşetmekten sorumludurlar.

Aktif bölgesinde tirozin

Topoizomeraz 1B (Top1B), 4 spesifik alana bölünmüş 765 amino asitten oluşur. Bu alanlardan biri, tirozin aktif bölgesini (Tyr7233) içeren oldukça korunmuş bir alana sahiptir. Tüm topoizomerazlar, aktif bölgelerinde tüm katalitik süreçte temel bir role sahip bir tirozin sunar.

Hareket mekanizması

Aktif bölge tirozin, DNA zincirinin 3'-fosfat ucuyla kovalent bir bağ oluşturur, onu keser ve enzime bağlı tutarken, başka bir DNA zinciri bölünmeden geçer.

Diğer DNA ipliğinin bölünmüş iplikten geçişi, DNA çift sarmalının açılmasını sağlayan enzimin konformasyonel dönüşümü sayesinde sağlanır.

Daha sonra topoizomeraz I, ilk konformasyonuna geri döner ve yarılmış uçları tekrar bağlar. Bu, enzimin katalitik bölgesinde DNA zincirinin parçalanmasının tersi bir süreçle gerçekleşir. Son olarak, topoizomeraz DNA zincirini serbest bırakır.

DNA bağlanma hızı, eksizyon hızından daha yüksektir, bu nedenle molekülün stabilitesini ve genomun bütünlüğünü sağlar.

Özetle, tip I topoizomeraz şunları katalize eder:

1. Bir telin bölünmesi.
2. Diğer ipin bölünmeden geçişi.
3. Bölünmüş uçların ligasyonu.

-Tip II topoizomerazlar

Dimerik

Tip II topoizomerazlar, her iki DNA sarmalını da ayıran, böylece transkripsiyon ve diğer hücresel işlemler sırasında üretilen süper bobinleri gevşeten dimerik enzimlerdir.

Mg bağımlı

Bu enzimlerin magnezyum (Mg ⁺⁺ ) ve ayrıca ATPase sayesinde yararlandıkları ATP trifosfat bağını kırmaktan gelen enerjiye ihtiyaçları vardır.

Tirozinli iki aktif bölge

İnsan topoizomerazları II, iki monomerden (alt fragmanlar A ve B) oluşan maya (Saccharomyces cerevisiae) ile çok benzerdir. Her monomerin bir ATPase alanı ve bir alt fragmanında, DNA'nın bağlanabildiği aktif bölge tirozin 782 vardır. Böylece, iki DNA ipliği topoizomeraz II'ye bağlanabilir.

Hareket mekanizması

Topoizomeraz II'nin etki mekanizması topoizomeraz I için tarif edilenle aynıdır, iki DNA ipliğinin sadece bir tane değil klivaj olduğu dikkate alınır.

Topoizomeraz II'nin aktif bölgesinde, "fragman G" olarak adlandırılan çift sarmallı bir DNA fragmanı stabilize edilir (tirozin ile kovalent bağlanma yoluyla). Bu parça eksize edilir ve kovalent bağlarla aktif bölgede bir arada tutulur.

Enzim daha sonra ATP'nin hidrolizine bağlı olan enzimdeki konformasyonel bir değişiklik sayesinde "T parçası" olarak adlandırılan başka bir DNA parçasının bölünmüş "G" parçasından geçmesine izin verir.

Topoizomeraz II, "G parçasının" iki ucunu bağlar ve son olarak, "G" parçasını serbest bırakarak başlangıç ​​durumunu geri kazanır. DNA daha sonra burulma stresini gevşeterek replikasyon ve transkripsiyonun gerçekleşmesine izin verir.

-İnsan topoizomerazları

İnsan genomunun beş topoizomerazı vardır: top1, top3α, top3β (tip I); ve top2α, top2β (tip II). En ilgili insan topoizomerazları, top1 (tip IB topoizomeraz) ve 2α'dır (tip II topoizomeraz).

Topoizomeraz inhibitörleri

-Topoizomerazlar kimyasal saldırı hedefi olarak

Topoizomerazlar tarafından katalize edilen süreçler hücrelerin hayatta kalması için gerekli olduğundan, bu enzimler kötü huylu hücreleri etkilemek için iyi bir saldırı hedefidir. Bu nedenle topoizomerazlar, birçok insan hastalığının tedavisinde önemli kabul edilir.

Topoizomerazlarla etkileşime giren ilaçlar şu anda kanser hücrelerine (vücudun farklı organlarında) ve patojenik mikroorganizmalara karşı kemoterapötik maddeler olarak geniş çapta incelenmektedir.

-İnhibisyon türleri

Topoizomeraz aktivitesini inhibe eden ilaçlar şunları yapabilir:

• DNA'ya sıkıştırılmış.
• Topoizomeraz enzimini etkiler.
• DNA-topoizomeraz kompleksi stabilize edilirken enzimin aktif bölgesine yakın bir molekülde ara katman oluşturun.

DNA'nın enzimin katalitik bölgesinin tirozinine bağlanmasıyla oluşan geçici kompleksin stabilizasyonu, hücre ölümüne yol açabilen bölünmüş fragmanların bağlanmasını önler.

-Topoizomeraz inhibitörü ilaçlar

Topoizomerazları inhibe eden bileşikler arasında aşağıdakiler bulunmaktadır.

Antitümör antibiyotikler

Antibiyotikler, genellikle DNA'larına müdahale ederek tümör hücrelerinin büyümesini önledikleri için kansere karşı kullanılır. Bunlar genellikle antineoplastik (kanser) antibiyotikler olarak adlandırılır. Örneğin Aktinomisin D, topoizomeraz II'yi etkiler ve çocuklarda ve rabdomiyosarkomlarda Wilms tümörlerinde kullanılır.

Antrasiklinler

Antrasiklinler, en etkili antikanser ilaçlardan biri olan ve en geniş spektruma sahip antibiyotikler arasındadır. Akciğer, yumurtalık, rahim, mide, mesane, meme, lösemi ve lenfomaların kanserini tedavi etmek için kullanılırlar. Topoizomeraz II'yi DNA'da araya girerek etkilediği bilinmektedir.

Bir aktinobakteriden (Streptomyces peucetius) izole edilen ilk antrasiklin, daunorubisindi. Daha sonra doksorubisin laboratuvarda sentezlendi ve günümüzde epirubisin ve idarubisin de kullanılmaktadır.

Antrakinonlar

Antrakinonlar veya antrasenediyonlar, antrasenden türetilen ve antrasiklinlere benzer şekilde topoizomeraz II aktivitesini DNA'daki interkalasyonla etkileyen bileşiklerdir. Metastatik meme kanseri, Hodgkin olmayan lenfoma (NHL) ve lösemi için kullanılırlar.

Bu ilaçlar bazı böceklerin, bitkilerin (frangula, sinameki, ravent), likenlerin ve mantarların pigmentlerinde bulunmuştur; doğal bir mineral olan hoelitte olduğu gibi. Dozunuza bağlı olarak kanserojen olabilirler.

Bu bileşikler arasında mitoksantron ve analogu losoksantron var. Bunlar, kötü huylu tümör hücrelerinin çoğalmasını, DNA'ya geri döndürülemez bir şekilde bağlanmasını önler.

Epidofilotoksinler

Epidofilotoksinler (VP-16) ve teniposid (VM-26) gibi podofillotoksinler, topoizomeraz II ile bir kompleks oluşturur. Diğerlerinin yanı sıra akciğer kanseri, testis, lösemi, lenfomalar, yumurtalık kanseri, meme kanseri ve kötü huylu kafa içi tümörlerine karşı kullanılırlar. Podophyllum notatum ve P. peltatum bitkilerden izole edilir.

Camptothecin analogları

Kampotesinler, irinotekan, topotekan ve diflomotekan dahil olmak üzere topoizomeraz I'i inhibe eden bileşiklerdir.

Bu bileşikler kolon, akciğer ve göğüs kanserine karşı kullanılmıştır ve Çin ve Tibet cornáceas'ın ağaçta yaşayan Camptotheca acuminata türünün kabuğundan ve yapraklarından doğal olarak elde edilmiştir.

Doğal engelleme

Topoizomerazlar I ve II'nin yapısal değişiklikleri de tamamen doğal olarak meydana gelebilir. Bu, katalitik sürecinizi etkileyen bazı olaylar sırasında olabilir.

Bu değişiklikler, pirimidin dimerlerinin oluşumunu, nitrojen bazı uyumsuzluklarını ve oksidatif stresin neden olduğu diğer olayları içerir.

Referanslar

1. Anderson, H. ve Roberge, M. (1992). DNA topoizomeraz II: Kromozom yapısı, DNA replikasyonu, transkripsiyon ve mitozdaki rolünün gözden geçirilmesi. Hücre Biyolojisi Uluslararası Raporları, 16 (8): 717–724. doi: 10.1016 / s0309-1651 (05) 80016-5
2. Chhatriwala, H., Jafri, N. ve Salgia, R. (2006). Akciğer kanserinde topoizomeraz inhibisyonunun bir derlemesi. Kanser Biyolojisi ve Terapisi, 5 (12): 1600–1607. doi: 10.4161 / cbt.5.12.3546
3. Ho, Y.-P., Au-Yeung, SCF ve To, KKW (2003). Platin bazlı antikanser ajanları: Yenilikçi tasarım stratejileri ve biyolojik perspektifler. Tıbbi Araştırma İncelemeleri, 23 (5): 633-655. doi: 10.1002 / med.10038
4. Li, T.-K. ve Liu, LF (2001). Topoizomeraz hedefleyen ilaçların neden olduğu tümör hücresi ölümü. Yıllık Farmakoloji ve Toksikoloji İncelemesi, 41 (1): 53-77. doi: 10.1146 / annurev.pharmtox.41.1.53
5. Liu, LF (1994). DNA Topoizomerazlar: Topoizomeraz Hedefleyen İlaçlar. Akademik Basın. s 307
6. Osheroff, N. ve Bjornsti, M. (2001). DNA Topoizomeraz. Enzimoloji ve İlaçlar. Cilt II. Humana Press. s. 329.
7. Rothenberg, ML (1997). Topoizomeraz I inhibitörleri: Gözden geçirin ve güncelleyin. Onkoloji Annals, 8 (9), 837–855. doi: 10.1023 / a: 1008270717294
8. Ryan B. (2009, 14 Aralık). Topoizomeraz 1 ve 2 .. Youtube.com'dan kurtarıldı