Topoisomerasas ( ing. topoisomerase ) - una clase de enzimas - isomerasas que afectan la topología del ADN [1] . Las topoisomerasas son capaces de relajar las moléculas de ADN superenrolladas mediante la introducción de roturas de una o dos cadenas seguidas de recuperación (ligadura) [2] . Sin embargo, en algunos casos, las topoisomerasas pueden introducir superenrollamientos o catenanos negativos en el ADN [3] .
Las topoisomerasas fueron descritas por primera vez por el profesor de la Universidad de Harvard , James Wong [4] .
Las topoisomerasas, que facilitan el desenrollado de las cadenas de ADN en una doble hélice, juegan un papel importante en los procesos de replicación y transcripción . Se ha demostrado el papel de las topoisomerasas en la formación de bucles de cromatina durante la condensación cromosómica [3] . La integración del ADN viral en los cromosomas del huésped y otras formas de recombinación también requieren la presencia de topoisomerasas [5] .
Según el mecanismo de acción, las topoisomerasas se dividen en topoisomerasas tipo I, que introducen roturas monocatenarias sin consumir energía, y topoisomerasas tipo II, que introducen roturas bicatenarias con consumo de ATP . Un lugar especial entre las topoisomerasas lo ocupa la ADN girasa , que es característica de E. coli [2] .
En la siguiente tabla se enumeran las principales características de los diferentes tipos de topoisomerasas:
| topoisomerasas | I A | BI | IIA | IIB |
|---|---|---|---|---|
| La necesidad de iones metálicos . | Sí | No | Sí | Sí |
| Dependencia de ATP | No | No | Sí | Sí |
| Brecha | os | os | dts | dts |
| Fin del archivo adjunto | 5' | 3' | 5' | 5' |
| Cambiar el número de superbobinas | ±1 | ±1 | ±2 | ±2 |
Las topoisomerasas I (EC 5.99.1.2) sonproteínasmonoméricas . Relajan el ADN, introduciendo roturas monocatenarias sin consumo de ATP. Este es el mecanismo. La introducción de roturas monocatenarias se produce debido alaminoácidotirosina, que lleva a cabo unataquenucleofílicofosfatodel ADN, formando fosfotirosina [6] . La propia enzima se une al extremo 3' o 5' liberado de la cadena. Según el extremo al que se une la topoisomerasa, hay:
Tal mecanismo de acción no requiere gasto de energía, es decir, el ATP no se consume durante la operación de las topoisomerasas tipo I [6] . El número de vueltas se cambia por 1 [3] .
La primera topoisomerasa de tipo I, como ya se ha señalado, se aisló en células de E. coli . Las topoisomerasas de este tipo se descubrieron en 1972 en células de mamíferos y, posteriormente, en células de levadura . Las topoisomerasas de tipo I se conocen en arqueas, por ejemplo, la topoisomerasa IA de la arquea termófila Desulfurococcus amylolyticus , así como en algunos virus, por ejemplo, el virus de la viruela [7] .
Las topoisomerasas II (EC 5.99.1.3) funcionancomo tetrámerosprocariotascomodímeroseucariotas. Llevan a cabo la escisión dependiente de ATP de ambas cadenas de ADN, seguida de la transferencia de cadenas a través del espacio y su ligadura. La escisión se debe a la unión de las tirosinas de la topoisomerasa al ADN para formar dos enlaces 5'-fosfodiéster. Otro ADN de doble cadena pasa a la ruptura. Así, el número de superenrollamientos positivos o negativos cambia por 2 (y no por 1, como en las topoisomerasas I). Por lo tanto, las topoisomerasas II pueden catenar y decatenar nudos de ADN. Este tipo de ADN girasa introduce superenrollamientos negativos [8] .
Las topoisomerasas II, al igual que las topoisomerasas I, se dividen en 2 grupos: IIA y IIB . Sin embargo, el análisis de las estructuras de las topoisomerasas IA, IIA y IIB reveló su gran similitud estructural, en particular, la presencia de un pliegue especial para unirse a los iones metálicos [9] .
La siguiente tabla caracteriza brevemente las topoisomerasas de varias clases aisladas de varios organismos [9] .
| topoisomerasa | Tipo de | organismo | Tamaño (kDa) y estructura de la subunidad | Peculiaridades |
|---|---|---|---|---|
| Topoisomerasa I bacteriana (proteína ω) | I A | Bacterias (incluyendo E. coli ) | 97; monómero | Incapaz de relajar superenrollamientos positivos |
| Topoisomerasa I eucariótica | BI | Eucariotas (incluidos los humanos) | 91; monómero | Puede relajar superenrollamientos tanto positivos como negativos. |
| Topoisomerasa I del virus vaccinia | BI | virus de la vacuna | 37; monómero | El ATP estimula la actividad enzimática |
| topoisomerasa III | I A | Bacterias (incluyendo E. coli ) | 73; monómero | Tiene una fuerte actividad de decantación. |
| girasa inversa | I A | Archaea termófilas (incluyendo Sulfolobus acidocaldarius | 143; monómero | ¿Puede el ATP introducir superenrollamientos positivos en el ADN de forma dependiente de ATP? |
| ADN girasa | IIA | Bacterias (incluyendo E. coli ), algunos eucariotas inferiores | 97 y 99 A 2 B 2 | ¿Puede el ATP introducir superenrollamientos negativos en el ADN de forma dependiente de ATP? |
| T4-topoisomerasa | IIA | Fago T4 | 58, 51 y 18; 2 copias de cada subunidad | Relaja el ADN pero no se superenrolla (dependiente de ATP) |
| Topoisomerasa II eucariótica | IIA | Eucariotas (incluidos los humanos) | 174; homodímero | Relaja el ADN pero no se superenrolla (dependiente de ATP) |
| Topoisomerasa IV | IIA | Bacterias (incluyendo E. coli ) | 84 y 70 C 2 E 2 | Relaja el ADN pero no se superenrolla, fuerte decatenasa (dependiente de ATP) |
| topoisomerasa VI | IIB | Archaea (incluyendo Sulfolobus shibatae ) | 45 y 60 A 2 B 2 | Relaja el ADN pero no se superenrolla (dependiente de ATP) |
Las topoisomerasas juegan un papel importante en los procesos de crecimiento y división celular y , por lo tanto, a menudo son objetivos de varios fármacos [9] - inhibidores de las topoisomerasas .
Entonces, la ADN girasa y la topoisomerasa IV cercana a ella son objetivos de dos grupos principales de fármacos antibacterianos: las quinolonas y las cumarinas . Las quinolonas (incluidos el ácido nalidíxico y la ciprofloxacina ) probablemente bloquean el paso de ruptura y ligadura de la girasa. Las cumarinas (incluidas la novobiocina y la cumermicina A 1 ) actúan de forma completamente diferente: bloquean la hidrólisis del ATP por la girasa [9] .
Las topoisomerasas eucarióticas también son dianas de muchos fármacos, en particular fármacos contra el cáncer . Por ejemplo, el fármaco anticancerígeno camptotecina , cuyos derivados se utilizan ampliamente en la quimioterapia anticancerígena , actúa sobre la topoisomerasa I humana de la misma forma que las quinolonas actúan sobre la girasa [9] .
Además de ser objetivos de antibióticos y medicamentos contra el cáncer, las topoisomerasas también pueden actuar como objetivos de toxinas . Así, la toxina bacteriana Ccdb actúa sobre la girasa. Ccdb es una pequeña proteína de 11,7 kDa. Forma parte del sistema toxina-antitoxina, forma un complejo con otra proteína, Ccda, y desempeña un papel en la estabilización del plásmido F de E. coli . La pérdida del plásmido F conduce a la pérdida del relativamente inestable Ccda. Como resultado, se libera Ccdb, bloquea la girasa y, por lo tanto, mata a la célula huésped. El estudio del mecanismo de acción de dichas toxinas puede aportar nuevas ideas para el desarrollo de nuevos inhibidores de la girasa [9] .
La siguiente tabla proporciona información sobre varios inhibidores de la topoisomerasa [9] :
| inhibidor | objetivo de topoisomerasa | Acción terapéutica |
|---|---|---|
| Quinolonas (incluida la ciprofloxacina ) | ADN girasa y topoisomerasa IV | Agentes antibacterianos efectivos. |
| Cumarinas (incluida la novobiocina ) | ADN girasa y topoisomerasa IV | Antibióticos pero no muy utilizados. |
| Camptotecinas (incluyendo topotecan ) | topoisomerasa humana I | Medicamentos contra el cáncer |
| Amsacrina (mAMSA) | topoisomerasa humana II | Medicamentos contra el cáncer |
| Podofilotoxinas (incluyendo tenipósido ) | topoisomerasa humana II | Medicamentos contra el cáncer |
| replicación del ADN | |||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Iniciación |
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| Alargamiento |
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| Terminación |
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