Recopilación detallada de datos sobre topoisomerasa
Nombre chino: topoisomerasa mbth: Introducción a la isomerasa: un tipo de enzima que existe en el núcleo Características: Puede catalizar la rotura y combinación de cadenas de ADN. Introducción, uso clínico, clasificación, primera categoría, segunda categoría, reacción química, uso, función, nuevo descubrimiento, introducción La ADN topoisomerasa es un tipo de enzima que existe en el núcleo y puede catalizar la rotura y combinación de las cadenas de ADN controlando así la. Estado topológico del ADN. Las topoisomerasas participan en procesos supramoleculares. Hay dos tipos principales de topoisomerasas en los mamíferos. La ADN topoisomerasa I cataliza cambios en el estado topomérico de replicación del ADN formando ciclos cortos de escisión-unión de una sola cadena. Por el contrario, la topoisomerasa II puede causar que los puentes enzimáticos bicatenarios transitorios se rompan, luego se abran y se vuelvan a abrir para cambiar el estado topológico del ADN. La topoisomerasa ⅱ de mamíferos se puede dividir en tipo α ⅱ y tipo β ⅱ. La actividad antitumoral de las toxinas topoisomerasas está relacionada con su estabilidad de los complejos escindibles enzima-ADN. Estos fármacos convierten eficazmente la enzima en fibrinólisis al estabilizar el complejo escindible enzima-ADN. Estos medicamentos utilizados clínicamente incluyen doxorrubicina, actinomicina D, daunorrubicina, VP-16 y VM-26 (tenipósido o epipodofilotoxina). Relativamente hablando, el bisbencimidazol y el tetrabencimidazol se utilizan más comúnmente como toxinas isomerasa tipo II en mamíferos, tanto en etapas clínicas como experimentales (Chen et al., Cancer Res. 1993, 53, 1332-1335; Sun et al., Medicine Journal of Chemistry 1995 , 38, 3638-3644; Kim et al. Chem. 1996, 39, 992-998), algunos alcaloides de quelidonina (benzo[c]benzoantrapiridina) y alcaloides alcalinos y sus análogos sintéticos (Makhey et al., Med. Chemistry. Resolución 65438+). Janin y col., J. Med Chem. 1975, 18, 708-713; & Med.chem. 1996, 4, 781-791), y bulgerain (Fujii et al., J. Biol. Chem. 1993, 268) y sainin (Yamashita et al., Biol. Chem. 5838-5845) y indolocarbazol (Yamashita et al., Biochemistry 1992, 31, 12069-12075). Otras toxinas de topoisomerasa que se han identificado incluyen quelidonina y ciertos alcaloides del compuesto cinolina (ver LaVoie et al., Patente de EE.UU. 6.140.328 y WO01/32631). A pesar de la gran utilidad de estos compuestos, sus aplicaciones son limitadas debido a su baja solubilidad. A finales de junio de 2006, la Oficina de Patentes de Estados Unidos concedió a la Universidad de Nueva Jersey cuatro patentes que cubren la síntesis y aplicación de fármacos amino y nitrosustituidos para la isomerasa. La clasificación se puede dividir en dos categorías: una se llama topoisomerasa I y la otra se llama topoisomerasa II. La topoisomerasa I cataliza la rotura y reinserción de cadenas de ADN, actuando sobre una sola hebra a la vez, es decir, cataliza la rotura y reinserción instantánea de una única hebra. No requieren cofactores energéticos como ATP o NAD. La ADN topoisomerasa I de Escherichia coli también se llama proteína omega, y la ADN topoisomerasa I del hígado de ratón también se llama enzima de cierre de mella. La topoisomerasa II puede romper y unir dos cadenas de ADN simultáneamente. Generalmente requieren el cofactor energético ATP. Entre la topoisomerasa II, se puede dividir en dos subclases: una subclase es la ADN girasa, cuya función principal es introducir superenrollamientos negativos y desempeña un papel muy importante en la replicación del ADN. Hasta ahora, la ADN girasa sólo se ha encontrado en procariotas. Otra subcategoría es convertir el ADN superenrollado (incluido el ADN superenrollado positivo y el ADN superenrollado negativo) en una forma relajada sin ADN superenrollado. Aunque esta reacción va en la dirección termodinámicamente favorable, no sé por qué también necesitan ATP como la ADN girasa, lo que puede tener algo que ver con la conformación de la enzima de recuperación. Esta enzima se encuentra tanto en procariotas como en eucariotas. Las ADN topoisomerasas de tipo I pueden catalizar muchas reacciones, que aquí sólo pueden describirse brevemente. La afinidad de la ADN topoisomerasa I por el ADN monocatenario es mucho mayor que la del ADN bicatenario, que es la base molecular para su reconocimiento del ADN superenrollado negativo, porque el ADN superenrollado negativo a menudo tiene un cierto grado de regiones monocatenarias. Cuanto mayor es el superenrollamiento negativo, más rápido actúa la ADN topoisomerasa I. Ahora sabemos que la superhélice negativa en los organismos vivos es estable en aproximadamente el 5% y no funcionará ni por debajo ni por encima. El organismo alcanza un estado estable de superenrollamiento negativo mediante las acciones opuestas de las topoisomerasas 1 y II. Se ha descubierto que las mutaciones en el gen A que codifica la topoisomerasa I de E. coli causan mutaciones compensatorias en el gen de la girasa. De lo contrario, aumenta el superenrollamiento negativo y disminuye la viabilidad celular. La especificidad de secuencia de bases de la topoisomerasa I no es alta, pero el punto de corte debe estar 4 bases aguas abajo de C (incluido el propio C). Después de cortar la cadena sencilla de ADN, la topoisomerasa I se une al extremo 5 de la mella y la energía procedente de la hidrolización del enlace fosfodiéster se almacena para la unión de la mella, por lo que la función de la topoisomerasa I no requiere un suministro de energía. Además, la topoisomerasa I también puede promover la renaturalización de dos cadenas individuales. Su función es reducir la presión negativa del número de cadenas generadas durante el proceso de renaturalización y permitir que el proceso de renaturalización avance hasta el final.
Si se corta parte de un único eslabón y otra parte rodea el corte, se puede crear una molécula con estructura de nudo trébol. Si hay dos hebras dobles y una de ellas tiene un hueco, la topoisomerasa 1 puede cortar la hebra opuesta al hueco, meter la doble hebra completa y luego unirla para formar una cadena continua. Las tres reacciones anteriores se muestran en la figura de la derecha. La topoisomerasa I también puede catalizar otras reacciones, que se analizan en Mecanismos de replicación y recombinación. La segunda topoisomerasa II de E. coli (girasa) tiene la capacidad de formar o descomponer bucles de ADN de doble hebra y unir moléculas además de introducir superenrollamientos negativos. Las topoisomerasas de clase II no tienen especificidad de secuencia de bases y pueden unirse a dos pares cualesquiera de ADN bicatenario cruzado. La ADN girasa tiene dos subunidades α y dos subunidades β. La subunidad α tiene aproximadamente 105 KDa, está codificada por el gen gyrA, tiene actividad fosfodiesterasa y puede ser inhibida por el ácido nalidíxico. La subunidad A tiene aproximadamente 95 KD, está codificada por el gen graB, tiene actividad ATPasa y puede ser inhibida por la novobiocina. Ambos fármacos inhiben la replicación del ADN en E. coli de tipo salvaje. Se puede observar que la ADN girasa es indispensable para la replicación de E. coli después de cortar el ADN bicatenario. El extremo 5' de la mella combina dos subunidades A y almacena la energía obtenida al hidrolizar el enlace fosfodiéster. Debido a la integridad de la enzima, es imposible que los cuatro extremos de la cadena de ADN giren arbitrariamente. Debido a la acción alostérica de la enzima, la doble cadena intacta pasa a través de la mella y se reforma el enlace fosfodiéster. La función de la subunidad β es hidrolizar el ATP y restaurar la molécula de enzima a su conformación original para la siguiente ronda de reacción. Esto se confirmó reemplazando ATP con el homólogo de ATP β,γ-iminoATP. Dado que este homólogo no puede ser hidrolizado por la ADN girasa, puede promover la primera ronda de reacción de topoisomerización, aumentar el superenrollamiento negativo y obstaculizar más reacciones de topoisomerización en el futuro. Reacciones químicas La ADN topoisomerasa cataliza muchas reacciones. Su esencia es primero cortar los enlaces fosfodiéster del ADN, luego cambiar el número de conexiones de ADN y luego conectarlas. Tiene las funciones de endonucleasa y ADN ligasa. Sin embargo, no pueden ligar ADN roto preexistente, es decir, sus reacciones de escisión y ligación están acopladas entre sí. Las topoisomerasas (tanto de tipo I como de tipo II) pueden explicarse mediante un modelo de cambio de signos (abajo a la izquierda). Además de las topoisomerasas de ADN, muchos reactivos, especialmente moléculas de tinte en forma de láminas, pueden incrustarse entre bases adyacentes, afectando la agregación de bases y también pueden cambiar el estado topológico del ADN. El ejemplo más obvio es el bromuro de etidio. Por ejemplo, tomemos la prueba de unión de moléculas SV40 CCC y bromuro de etidio. En ausencia de tinte, el ADN está superenrollado negativamente y tiene una constante de sedimentación muy alta (21 s cuando la proporción de moléculas de tinte a nucleótidos es 0,05); Cuando el número de sedimentación cae a 16S, el ADN está en un estado relajado sin superenrollamiento. Cuando la proporción entre moléculas de tinte y nucleótidos aumenta a 0,09, la constante de sedimentación aumenta a aproximadamente 21 S y las moléculas de ADN quedan superenrolladas positivamente. Esta relación se muestra en el lado derecho de la figura anterior, pero cabe señalar que el bromuro de etidio no cambia el valor de Lk, pero la incrustación de moléculas de bromuro de etidio aumenta el estado de unión estrecha de la estructura secundaria del ADN local. Por lo tanto, a medida que aumenta el número de moléculas de tinte incrustadas, el superenrollamiento negativo primero disminuye y desaparece, y luego el superenrollamiento positivo aumenta. Esto es similar a la situación en la que las proteínas de unión al ADN monocatenarias promueven la conversión de superenrollamientos negativos en estructuras de burbujas. Isomerasa: enzima que cambia el número de secuencia del ADN cortando los enlaces fosfodiéster en una o ambas cadenas de ADN y luego rebobinándolos y sellándolos. ADN girasa. ADN isomerasa es el término general para las enzimas que catalizan la conversión de topoisómeros de ADN. Para analizar el mecanismo de reacción in vitro, se utilizó ADN circular como sustrato para catalizar la reacción de acoplamiento de desconexión y unión de la cadena de ADN. En la transformación topológica del ADN bicatenario de circuito cerrado, una o ambas hebras de ADN se cortan temporalmente y se dividen en dos tipos según el método de isomerización. La topoisomerasa II que cambia la topología escindiendo una cadena se llama -isomerasa II, y la topoisomerasa II que cambia la topología escindiendo dos cadenas se llama -isomerasa II. Como topoisomerasas de tipo I, en diversas células eucariotas están presentes la proteína ω de Escherichia coli (compuesta por una única cadena polipeptídica con un peso molecular de 110.000) y la enzima de cierre de mella (peso molecular de aproximadamente 65.000-70.000, con un peso molecular de aproximadamente 10000). Las topoisomerasas de tipo II incluyen la ADN girasa en bacterias, la topoisomerasa II en el bacteriófago T4 y la topoisomerasa II dependiente de ATP en células eucariotas. Además, el producto del gen irt del fago λ y el producto del gen A del fago φX174 también tienen actividad de enzimas de escisión y conjugación y pueden considerarse como una de las topoisomerasas. Las topoisomerasas de tipo I catalizan la isomerización en ausencia de energía ATP. Como producto intermedio de la reacción, en procariotas, el extremo 5'-OH libre está conectado al extremo 3'-fosfato para formar un enlace de valencia con la enzima, mientras que en eucariotas, el extremo 5'-fosfato del extremo 3' El extremo -OH forma un enlace de valencia con la enzima. La energía almacenada en el enlace éster puede desempeñar un papel en la reorganización de los extremos rotos. La reacción catalizada por la topoisomerasa tipo I es la siguiente: en cada reacción de corte y unión, el número L de ADN superenrollado (ver topoisómeros del ADN) cambia, es decir, se relaja. El ADN circular monocatenario complementario se transforma en un ADN circular bicatenario con estructura helicoidal, anudando o desatando lógicamente el ADN monocatenario. Además, cuando se corta una hebra de una molécula de dos ADN circulares de doble hebra, se forma una molécula de dímero cíclico en forma de cadena (catenano).
Entre las topoisomerasas de tipo II, la ADN girasa es la única que puede catalizar el ADN de circuito cerrado para producir superenrollamientos solos. Los otros dos tipos de enzimas pueden relajar superenrollamientos y requerir energía ATP, y también pueden catalizar la reacción catalítica de la girasa. La topoisomerasa I eucariota participa en la formación de nucleosomas y las proteínas omega bacterianas participan en la transcripción y la inserción de algunos transposones. La ciclooxigenasa y la topoisomerasa II T4 participan en los procesos de replicación y transcripción del ADN. I (la ADN topoisomerasa I cataliza cuatro reacciones: ① relajación de superenrollamientos; (2) formación de nudos; ③ formación de moléculas cíclicas de doble hebra; ④ conexión de moléculas cíclicas de doble hebra. Esta enzima se deriva del pequeño timo bovino, a diferencia de las enzimas derivadas de procariotas, exhibe actividad incluso en ausencia de Mg2+, y la ADN topoisomerasa I de procariotas solo actúa sobre moléculas superenrolladas de cadena negativa. Tanto las moléculas superenrolladas positivas como las negativas forman una forma suelta. Propósito La topoisomerasa de tipo II completa inteligentemente el proceso. de abrir la doble hélice del ADN y permitir que otra hélice pase a través del espacio, después de lo cual se abre una doble hélice. La imagen que se muestra aquí está construida a partir de dos proteínas: una proteína numerada 1bgw, que tiene la estructura de la mitad inferior. de una topoisomerasa, y otra proteína numerada como 1eil, que proviene de una girasa. El dominio, que es muy similar a la mitad superior de la topoisomerasa, es altamente activo catalíticamente y tiene una estructura similar a una "puerta" que controla la entrada del ADN. dos hendiduras encima. Las dos tirosinas que se muestran en rojo se unen a la cadena de ADN y forman un enlace de valencia, y este patrón de unión estrecha actúa para relajar el superenrollamiento. El llamado superenrollamiento es una forma de acumulación de tensión en el ADN. Medicamentos antitumorales que se cree que funcionan estabilizando el complejo de valencia formado entre la topoisomerasa y el ADN, creando así una barrera para el mecanismo de replicación del ADN. Los científicos aún no entienden mucho sobre el complejo de la topoisomerasa. Los orígenes de los fármacos dirigidos a la isomerasa. La imagen de portada de este número muestra la acumulación de superenrollamientos de ADN positivos provocados por el fármaco, que dificulta el progreso de una ADN polimerasa. Nuevo descubrimiento de la interacción de las hélices de ADN con las topoisomerasas que bloquea o interrumpe la acción de las horquillas de replicación, provocando la muerte celular. Un equipo de investigación internacional dirigido por los Países Bajos ha descifrado a nivel molecular el mecanismo por el cual la tensión de torsión acumulada en el ADN se libera de forma natural. Investigadores de TU Delft, École Normale Supérieure y el Instituto Sloan-Kettering publicaron sus resultados en la edición del 31 de marzo de la revista. Nature, que aparece en la portada de este número. Las topoisomerasas pueden liberar el torque acumulado en las cadenas de ADN. Durante el estudio, los investigadores pudieron rastrear la actividad de moléculas de topoisomerasa individuales en una sola molécula de ADN durante un período de tiempo. Se cortan las hebras y se estira el ADN antes de volver a unir los extremos pegajosos. Con la ayuda de instrumentos de detección sensibles, los investigadores pueden medir diferentes parámetros, como la fricción del ADN en rotación en la cámara de enzimas. y esta enzima se revela. Las dos hebras simples de ADN se retuercen para formar una doble hélice, y la secuencia bicatenaria de pares de bases almacena información genética durante la división celular. Para ser copiada, la enzima responsable de la copia debe poder transcribir. estas secuencias de bases, pero para lograr este proceso, se debe enderezar la porción de ADN que necesita ser transcrita. Este enrollamiento y estiramiento de las moléculas de ADN crea torsiones, cuya magnitud aumenta a medida que avanza la división celular. Esta fuerza puede retrasar el proceso de división celular o incluso detenerlo en algunos casos, y la topoisomerasa IB puede reducir estas fuerzas de torsión. La enzima libera la torsión del ADN en los siguientes pasos: La topoisomerasa sujeta el ADN bicatenario como si fuera una abrazadera y luego pasa instantáneamente a través de una de las dos cadenas de ADN. Esta distorsión que se acumula en la molécula de ADN desaparece gradualmente en toda la cadena. Después de girar, la enzima vuelve a agarrar el ADN hilado y vuelve a unir las hebras rotas. Los investigadores pudieron determinar el número preciso de superenrollamientos que esta topoisomerasa separa entre corte y adhesión. El mecanismo preciso de la topoisomerasa IB también tiene implicaciones importantes para la investigación del cáncer. Los fármacos que inhiben la función de la topoisomerasa IB ya se utilizan clínicamente, pero su uso puede mejorar tras estos hallazgos.