Karakteristik, fungsi, tipe dan inhibitor topoisomerase



itu topoisomerase adalah jenis enzim isomerase yang memodifikasi topologi asam deoksiribonukleat (DNA), menghasilkan keduanya yang berliku dan berliku.

Enzim-enzim ini memiliki peran khusus dalam menghilangkan stres puntir dalam DNA sehingga proses-proses penting seperti replikasi, transkripsi DNA dalam messenger ribonucleic acid (mRNA) dan rekombinasi DNA dapat terjadi..

Enzim topoisomerase hadir dalam sel eukariotik dan prokariotik. Keberadaannya diprediksi oleh para ilmuwan Watson dan Crick, ketika mengevaluasi keterbatasan yang disajikan oleh struktur DNA untuk memungkinkan akses ke informasinya (disimpan dalam urutan nukleotida-nya).

Untuk memahami fungsi topoisomerase, harus dipertimbangkan bahwa DNA memiliki struktur heliks ganda yang stabil, dengan rantai yang berguling satu sama lain..

Rantai linier ini didasari oleh 2-deoksiribosa yang bergabung dengan ikatan fosfodiester 5'-3 ', dan basa nitrogen di interiornya, seperti tangga tangga spiral.

Studi topologi molekul DNA telah menunjukkan bahwa mereka dapat mengasumsikan beberapa konformasi tergantung pada ketegangan puntirnya: dari keadaan relaks, hingga berbagai kondisi belitan yang memungkinkan pemadatannya..

Molekul DNA dengan konformasi yang berbeda disebut topoisomer. Dengan demikian, kita dapat menyimpulkan bahwa topoisomerase I dan II, dapat meningkatkan atau menurunkan tegangan puntir molekul DNA, membentuk topoisomer yang berbeda..

Di antara topoisomer DNA yang mungkin, konformasi yang paling umum adalah supercoiling, yang sangat kompak. Namun, heliks ganda DNA juga harus dilepas oleh topoisomerase selama beberapa proses molekuler.

Indeks

  • 1 Karakteristik
    • 1.1 Mekanisme tindakan umum
    • 1.2 Topoisomerase dan siklus sel
  • 2 fungsi
    • 2.1 Penyimpanan materi genetik yang kompak
    • 2.2 Akses ke informasi genetik
    • 2.3 Pengaturan ekspresi gen
    • 2.4 Keistimewaan topoisomerase II
  • 3 Jenis topoisomerase
    • 3.1-Topoisomerases tipe I
    • 3,2 -Topoisomerase tipe II
    • 3.3 - Topoisomerase manusia
  • 4 penghambat topoisomerase
    • 4.1-Topoisomerases sebagai target serangan kimia
    • 4.2-Jenis penghambatan
    • 4.3 - Obat penghambat topoisomerase
  • 5 Referensi

Fitur

Mekanisme tindakan umum

Beberapa topoisomerase hanya dapat melonggarkan supercoil DNA negatif, atau keduanya supercoil DNA: positif dan negatif.

Jika DNA beruntai ganda melingkar pada sumbu longitudinal dan putaran kidal terjadi (searah jarum jam), dikatakan superkoil negatif. Jika belokan searah jarum jam (berlawanan arah jarum jam), itu positif super-melingkar.

Pada dasarnya, topoisomerase dapat:

-Memfasilitasi jalur untai DNA melalui pemotongan untai berlawanan (topoisomerase tipe I).

-Memfasilitasi bagian dari heliks ganda lengkap melalui split itu sendiri, atau melalui split di heliks ganda berbeda (topoisomerase tipe II).

Singkatnya, topoisomerase bertindak melalui pembelahan ikatan fosfodiester, dalam satu atau kedua helai yang membentuk DNA. Kemudian modifikasi keadaan penggulungan untaian heliks ganda (topoisomerase I) atau dua heliks ganda (topoisomerase II), untuk akhirnya kembali mengikat atau mengikat ikatan yang ujungnya dipotong.

Topoisomerase dan siklus sel

Meskipun topoisomerase I adalah enzim yang menunjukkan aktivitas lebih besar selama fase S (sintesis DNA), itu tidak dianggap tergantung pada fase siklus sel..

Sementara aktivitas topoisomerase II lebih aktif selama fase logaritmik pertumbuhan sel dan dalam sel-sel tumor yang tumbuh cepat..

Fungsi

Perubahan gen yang mengkode topoisomerase adalah mematikan bagi sel, menunjukkan pentingnya enzim ini. Di antara proses-proses di mana topoisomerase berpartisipasi, adalah:

Penyimpanan materi genetik yang kompak

Topoisomerase memfasilitasi penyimpanan informasi genetik dengan cara yang ringkas, karena mereka menghasilkan penggumpalan dan supercoiling DNA, memungkinkan sejumlah besar informasi dapat ditemukan dalam volume yang relatif kecil.

Akses ke informasi genetik

Jika tidak ada topoisomerase dan karakteristik uniknya, tidak mungkin untuk mengakses informasi yang disimpan dalam DNA. Ini karena topoisomerase secara berkala melepaskan ketegangan dengan memutar yang dihasilkan dalam heliks ganda DNA, selama pengikatannya, dalam proses replikasi, transkripsi, dan rekombinasi.

Jika ketegangan akibat torsi yang dihasilkan selama proses ini tidak dilepaskan, itu bisa menghasilkan ekspresi gen yang rusak, gangguan DNA melingkar atau kromosom, bahkan menghasilkan kematian sel..

Regulasi ekspresi gen

Perubahan konformasi (dalam struktur tiga dimensi) dari molekul DNA mengekspos daerah tertentu ke luar, yang dapat berinteraksi dengan protein pengikat DNA. Protein ini memiliki fungsi pengaturan ekspresi gen (positif atau negatif).

Dengan demikian, keadaan penggulungan DNA, yang dihasilkan oleh aksi topoisomerase, mempengaruhi regulasi ekspresi gen.

Kekhasan topoisomerase II

Topoisomerase II diperlukan untuk perakitan kromatid, kondensasi dan dekondensasi kromosom dan pemisahan molekul DNA anak selama mitosis.

Enzim ini juga merupakan protein struktural dan salah satu unsur utama dari matriks inti sel selama interfase..

Jenis topoisomerase

Ada dua jenis topoisomerase utama tergantung pada apakah mereka mampu memotong satu atau dua untai DNA.

-Topoisomerases tipe I

Monomer                 

Topoisomerase tipe I adalah monomer yang mengurangi superkoil negatif dan positif, yang dihasilkan oleh pergerakan garpu selama transkripsi, dan selama proses replikasi dan rekombinasi gen..

Topoisomerase tipe I dapat dibagi lagi menjadi tipe 1A dan tipe 1B. Yang terakhir adalah yang ditemukan pada manusia, dan bertanggung jawab untuk mengendurkan DNA superkoil.

Tirosin di situs aktifnya

Topoisomerase 1B (Top1B) terdiri dari 765 asam amino yang dibagi menjadi 4 domain spesifik. Salah satu domain ini memiliki area yang sangat dilestarikan yang berisi situs aktif dengan tirosin (Tyr7233). Semua topoisomerase hadir di situs aktifnya tirosin dengan peran mendasar dalam seluruh proses katalitik.

Mekanisme tindakan

Tirosin dari situs aktif membentuk ikatan kovalen dengan ujung 3'-fosfat dari untai DNA, memotongnya dan menjaganya tetap melekat pada enzim, sambil melewatkan untai DNA lain melalui eksisi.

Bagian dari untai DNA lain melalui untaian yang dipotong dicapai berkat transformasi konformasi enzim, yang menghasilkan pembukaan heliks ganda DNA.

Kemudian topoisomerase I kembali ke konformasi awal dan mengikat lagi ujung yang dipotong. Ini terjadi oleh suatu proses yang terbalik dengan pemecahan rantai DNA, di situs katalitik enzim. Akhirnya, topoisomerase melepaskan untai DNA.

Tingkat ligasi DNA lebih tinggi daripada tingkat eksisi, yang memastikan stabilitas molekul dan integritas genom.

Singkatnya, topoisomerase tipe I mengkatalisasi:

  1. Eksisi untai.
  2. Bagian dari untai lain melalui perpecahan.
  3. Ligasi perpecahan berakhir.

-Topoisomerases tipe II

Diméricas

Topoisomerase tipe II adalah enzim dimer, yang membelah kedua untai DNA, sehingga melonggarkan supercoil yang dihasilkan selama transkripsi dan proses seluler lainnya..

Mg Tanggungan++ dan ATP

Enzim ini membutuhkan magnesium (Mg++) dan juga membutuhkan energi yang berasal dari pemecahan tautan ATP trifosfat, yang mereka manfaatkan berkat ATPase.

Dua situs aktif dengan tirosin

Human topoisomerases II sangat mirip dengan ragi (Saccharomyces cerevisiae), yang terdiri dari dua monomer (subfragmen A dan B). Setiap monomer memiliki domain ATPase, dan dalam subfragmen, situs aktif tirosin 782, tempat DNA dapat mengikat. Oleh karena itu, dua untai DNA dapat bergabung dengan topoisomerase II.

Mekanisme tindakan

Mekanisme kerja topoisomerase II adalah sama dengan yang dijelaskan untuk topoisomerase I, mengingat bahwa dua rantai DNA terpecah dan tidak hanya satu.

Di situs aktif topoisomerase II, sebuah fragmen protein distabilkan (melalui ikatan kovalen dengan tirosin). heliks ganda DNA, yang disebut "fragmen G". Fragmen ini dibelah dan disimpan terikat ke situs aktif oleh ikatan kovalen.

Kemudian, enzim tersebut memungkinkan fragmen DNA lainnya, yang disebut "fragmen T", untuk melewati fragmen "G" yang dibelah, berkat perubahan konformasi enzim, yang bergantung pada hidrolisis ATP..

Topoisomerase II mengikat kedua ujung "fragmen G" dan akhirnya memulihkan keadaan awalnya, melepaskan fragmen "G". Kemudian, DNA melemaskan ketegangan torsional, memungkinkan terjadinya proses replikasi dan transkripsi.

-Topoisomerase manusia

Genom manusia memiliki lima topoisomerase: top1, top3α, top3β (dari tipe I); dan top2α, top2β (dari tipe II). Topoisomerase manusia yang paling relevan adalah top1 (topoisomerase tipe IB) dan 2α (topoisomerase tipe II).

Inhibitor topoisomerase

-Topoisomerases sebagai target serangan kimia

Karena proses yang dikatalisis oleh topoisomerase diperlukan untuk kelangsungan hidup sel, enzim ini adalah target serangan yang baik untuk mempengaruhi sel-sel ganas. Untuk ini, topoisomerase dianggap penting dalam pengobatan banyak penyakit manusia.

Obat-obatan yang berinteraksi dengan topoisomerase saat ini banyak dipelajari sebagai zat kemoterapi terhadap sel-sel kanker (dalam berbagai organ tubuh) dan mikroorganisme patogen..

-Jenis-jenis penghambatan

Obat penghambat aktivitas topoisomerase dapat:

  • Masuk ke dalam DNA.
  • Mempengaruhi enzim topoisomerase.
  • Interleave ke molekul dekat situs aktif enzim sementara kompleks DNA-topoisomerase distabilkan.

Stabilisasi kompleks transien yang dibentuk oleh pengikatan DNA ke tirosin dari situs katalitik enzim, mencegah penyatuan fragmen yang dipotong, yang dapat menyebabkan kematian sel..

-Inhibitor topoisomerase

Di antara senyawa yang menghambat topoisomerase, adalah sebagai berikut.

Antibiotik antitumor

Antibiotik digunakan untuk melawan kanker, karena mereka mencegah pertumbuhan sel tumor, biasanya dengan mengganggu DNA mereka. Mereka sering disebut antibiotik antineoplastik (melawan kanker). Actinomycin D, misalnya, mempengaruhi topoisomerase II dan digunakan pada tumor Wilms pada anak-anak dan pada rhabdomyosarcomas.

Antrasiklin

Antrasiklin adalah, di antara antibiotik, obat antikanker yang paling efektif dan spektrum terluas. Mereka digunakan dalam pengobatan kanker paru-paru, ovarium, rahim, perut, kandung kemih, payudara, leukemia, dan limfoma. Hal ini diketahui mempengaruhi topoisomerase II dengan interkalasi dalam DNA.

Antrasiklin pertama diisolasi dari actinobacteria (Streptomyces peucetius) adalah daunorubisin. Setelah itu, doxorubicin disintesis di laboratorium, dan epirubicin dan idarubicin sekarang juga digunakan..

Anthraquinones

Antrakuinon atau antrasenion adalah senyawa yang berasal dari antrasena, mirip dengan antrasiklin, yang memengaruhi aktivitas topoisomerase II melalui interkalasi dalam DNA. Mereka digunakan untuk kanker payudara metastatik, limfoma non-Hodgkin (NHL) dan leukemia.

Obat-obatan ini ditemukan dalam pigmen beberapa serangga, tanaman (frakula, senna, rhubarb), lumut dan jamur; serta di hoelita, yang merupakan mineral alami. Tergantung pada dosis mereka, mereka dapat bersifat karsinogenik.

Di antara senyawa-senyawa ini, kita memiliki mitoxantrone dan losoxantrone analognya. Ini mencegah proliferasi sel tumor ganas, mengikat ireversibel pada DNA.

Epidofilotoxins

Podophyllotoxins, seperti epidofilotoxins (VP-16) dan teniposide (VM-26), membentuk kompleks dengan topoisomerase II. Mereka digunakan terhadap kanker paru-paru, testis, leukemia, limfoma, kanker ovarium, karsinoma payudara dan tumor intrakranial ganas, antara lain. Mereka diisolasi dari tanaman Podophyllum notatum dan P. peltatum.

Analog Camptothecins

Campotecins adalah senyawa yang menghambat topoisomerase I, dan di antaranya adalah irinotecan, topotecan dan diflomotecan..

Senyawa ini telah digunakan melawan kanker usus besar, paru-paru dan payudara, dan diperoleh secara alami dari kulit kayu dan daun spesies arboreal. Camptotheca acuminata persik Cina dan Tibet.

Penghambatan alami

Perubahan struktural topoisomerase I dan II juga dapat terjadi secara alami. Ini dapat terjadi selama beberapa peristiwa yang mempengaruhi proses katalitiknya.

Di antara perubahan ini, kita dapat menyebutkan pembentukan dimer pirimidin, ketidakcocokan basa nitrogen dan peristiwa lainnya yang disebabkan oleh stres oksidatif.

Referensi

  1. Anderson, H., & Roberge, M. (1992). DNA topoisomerase II: Tinjauan keterlibatannya dalam struktur kromosom, replikasi DNA, transkripsi, dan mitosis. Laporan Internasional Biologi Sel, 16 (8): 717-724. doi: 10.1016 / s0309-1651 (05) 80016-5
  2. Chhatriwala, H., Jafri, N., & Salgia, R. (2006). Ulasan penghambatan topoisomerase pada kanker paru-paru. Biologi & Terapi Kanker, 5 (12): 1600-1607. doi: 10.4161 / cbt.5.12.3546
  3. Ho, Y.-P., Au-Yeung, S.C. F., & To, K. K.W. (2003). Agen antikanker berbasis Platinum: Strategi desain inovatif dan perspektif biologis. Ulasan Penelitian Medis, 23 (5): 633-655. doi: 10.1002 / med.10038
  4. Li, T.-K., & Liu, L. F. (2001). Kematian sel tumor diinduksi oleh obat penargetan topoisomerase. Ulasan Tahunan Farmakologi dan Toksikologi, 41 (1): 53-77. doi: 10.1146 / annurev.pharmtox.41.1.53
  5. Liu, L. F. (1994). DNA Topoisomerases: Obat Penargetan Topoisomerase. Pers Akademik. hlm 307
  6. Osheroff, N. dan Bjornsti, M. (2001). DNA Topoisomerase. Enzimologi dan Obat-obatan. Jilid II. Humana Press. hlm 329.
  7. Rothenberg, M. L. (1997). Inhibitor Topoisomerase I: Tinjau dan perbarui. Annals of Oncology, 8 (9), 837-855. doi: 10.1023 / a: 1008270717294
  8. Ryan B. (2009, 14 Desember). Topoisomerase 1 dan 2. [File video]. Diperoleh dari youtube.com