TOPOISOMERASI: CARATTERISTICHE, FUNZIONI, TIPI E INIBITORI - BIOLOGIA - 2025

Le topoisomerasi sono enzimi isomerasi un tipo di modifica della topologia dell'acido desossiribonucleico (DNA), generando sia il suo svolgimento che il superavvolgimento come il suo ricciolo.

Questi enzimi hanno un ruolo specifico nell'alleviare lo stress torsionale sul DNA in modo che possano verificarsi processi importanti come la sua replicazione, la trascrizione del DNA in acido ribonucleico messaggero (mRNA) e la ricombinazione del DNA.

Figura 1. Topoisomerasi II. Fonte: Emw, da Wikimedia Commons

Gli enzimi topoisomerasi sono presenti sia nelle cellule eucariotiche che in quelle procariotiche. La sua esistenza è stata prevista dagli scienziati Watson e Crick, nel valutare i limiti che la struttura del DNA presentava per consentire l'accesso alle sue informazioni (memorizzate nella sua sequenza nucleotidica).

Per comprendere le funzioni delle topoisomerasi, è necessario considerare che il DNA ha una struttura a doppia elica stabile, con i suoi fili avvolti l'uno sull'altro.

Queste catene lineari sono costituite da 2-desossiribosio legato da legami fosfodiestere 5'-3 'e basi azotate all'interno, come i pioli di una scala a chiocciola.

Figura 2. Molecola di DNA. Fonte: https://es.m.wikipedia.org/wiki/Archivo:3DScience_DNA_structure_labeled_a.jpg

Lo studio topologico delle molecole di DNA ha dimostrato che queste possono assumere varie conformazioni dipendenti dal loro stress torsionale: da uno stato rilassato a diversi stati di avvolgimento che ne consentono la compattazione.

Le molecole di DNA con diverse conformazioni sono chiamate topoisomeri. Quindi, possiamo concludere che le topoisomerasi I e II possono aumentare o diminuire lo stress torsionale delle molecole di DNA, formando i loro diversi topoisomeri.

Tra i possibili topoisomeri a DNA, la conformazione più comune è il supercoil, che è molto compatto. Tuttavia, la doppia elica del DNA deve anche essere svolta dalle topoisomerasi durante vari processi molecolari.

caratteristiche

Meccanismo d'azione generale

Alcune topoisomerasi possono rilassare solo le supercoil negative del DNA, o entrambe le supercoil del DNA: positiva e negativa.

Se il DNA circolare a doppia elica viene svolto sul suo asse longitudinale e si verifica una rotazione a sinistra (in senso orario), si dice che sia superavvolto negativamente. Se il giro è in senso orario (antiorario), è positivamente avvolto.

Figura 3. DNA circolare a doppia elica con superavvolgimento negativo, rilassato e superavvolto positivamente. Fonte: Fdardel, da Wikimedia Commons

Fondamentalmente, le topoisomerasi possono:

-Facilitare il passaggio di un filamento di DNA attraverso un taglio nel filamento opposto (topoisomerasi di tipo I).

-Facilitare il passaggio di una doppia elica completa attraverso una scissione stessa, o attraverso una scissione in un'altra doppia elica diversa (topoisomerasi di tipo II).

In sintesi, le topoisomerasi agiscono attraverso la scissione dei legami fosfodiestere, in uno o in entrambi i filamenti che compongono il DNA. Quindi modificano lo stato di avvolgimento dei fili di una doppia elica (topoisomerasi I) o di due doppie eliche (topoisomerasi II), per legare o legare di nuovo le estremità tagliate.

Topoisomerasi e ciclo cellulare

Sebbene la topoisomerasi I sia un enzima che mostra un'attività maggiore durante la fase S (sintesi del DNA), non si ritiene che dipenda da una fase del ciclo cellulare.

Mentre l'attività della topoisomerasi II è più attiva durante la fase logaritmica della crescita cellulare e nelle cellule dei tumori a crescita rapida.

Caratteristiche

L'alterazione dei geni che codificano per la topoisomerasi è letale per le cellule, evidenziando l'importanza di questi enzimi. Tra i processi a cui partecipano le topoisomerasi ci sono:

Stoccaggio compatto di materiale genetico

Le topoisomerasi facilitano l'archiviazione delle informazioni genetiche in modo compatto, perché generano l'avvolgimento e il superavvolgimento del DNA, consentendo di trovare una grande quantità di informazioni in un volume relativamente piccolo.

Accesso alle informazioni genetiche

Senza le topoisomerasi e le loro caratteristiche uniche, l'accesso alle informazioni immagazzinate nel DNA sarebbe impossibile. Ciò è dovuto al fatto che le topoisomerasi rilasciano periodicamente lo stress torsionale che si genera nella doppia elica del DNA, durante il suo svolgimento, nei processi di replicazione, trascrizione e ricombinazione.

Figura 4. Replicazione del DNA. Vedi topoisomerasi all'inizio della forcina del DNA. Fonte: LadyofHats tradotto da Miguelsierra, tramite Wikimedia Commons

Se lo stress torsionale generato durante questi processi non viene rilasciato, potrebbe verificarsi un'espressione genica difettosa, l'interruzione del DNA o cromosoma circolare, con conseguente morte cellulare.

Regolazione dell'espressione genica

I cambiamenti conformazionali (nella struttura tridimensionale) della molecola di DNA espongono all'esterno regioni specifiche, che possono interagire con le proteine ​​leganti il ​​DNA. Queste proteine ​​hanno una funzione regolatrice dell'espressione genica (positiva o negativa).

Figura 5. Proteina regolatrice dell'espressione genica, in questo caso impedisce l'espressione di alcuni geni. Zephyris nella Wikipedia in lingua inglese

Pertanto, lo stato di avvolgimento del DNA, generato dall'azione delle topoisomerasi, influenza la regolazione dell'espressione genica.

Particolarità della topoisomerasi II

La topoisomerasi II è necessaria per l'assemblaggio dei cromatidi, la condensazione e la decondensazione dei cromosomi e la segregazione delle molecole di DNA figlie durante la mitosi.

Questo enzima è anche una proteina strutturale e uno dei principali costituenti della matrice del nucleo cellulare durante l'interfase.

Tipi di topoisomerasi

Esistono due tipi principali di topoisomerasi a seconda che siano in grado di scindere uno o due filamenti di DNA.

-Topoisomerasi di tipo I

Monomerico

Le topoisomerasi di tipo I sono monomeri che alleviano i supercoil negativi e positivi, prodotti dal movimento delle forcine durante la trascrizione e durante i processi di replicazione e ricombinazione genica.

Le topoisomerasi di tipo I possono essere suddivise in tipo 1A e tipo 1B. Questi ultimi sono quelli che si trovano negli esseri umani e sono responsabili del rilassamento del DNA superavvolto.

Tirosina nel suo sito attivo

La topoisomerasi 1B (Top1B) è composta da 765 aminoacidi suddivisi in 4 domini specifici. Uno di questi domini ha un'area altamente conservata contenente il sito attivo della tirosina (Tyr7233). Tutte le topoisomerasi presentano una tirosina nel loro sito attivo con un ruolo fondamentale nell'intero processo catalitico.

Meccanismo di azione

La tirosina del sito attivo forma un legame covalente con l'estremità 3'-fosfato del filamento di DNA, tagliandolo e tenendolo attaccato all'enzima, mentre un altro filamento di DNA passa attraverso la scissione.

Il passaggio dell'altro filamento di DNA attraverso il filamento diviso è ottenuto grazie ad una trasformazione conformazionale dell'enzima, che produce l'apertura della doppia elica del DNA.

Quindi la topoisomerasi I ritorna alla sua conformazione iniziale e lega di nuovo le estremità tagliate. Ciò avviene tramite un processo inverso alla rottura della catena del DNA, nel sito catalitico dell'enzima. Infine, la topoisomerasi rilascia il filamento di DNA.

Il tasso di legatura del DNA è superiore al tasso di escissione, garantendo così la stabilità della molecola e l'integrità del genoma.

In sintesi, la topoisomerasi di tipo I catalizza:

1. La scollatura di una ciocca.
2. Il passaggio dell'altra ciocca attraverso la scollatura.
3. Legatura delle estremità tagliate.

-Topoisomerasi di tipo II

Dimerico

Le topoisomerasi di tipo II sono enzimi dimerici, che scindono entrambi i filamenti di DNA, rilassando così i supercoil generati durante la trascrizione e altri processi cellulari.

Dipendente da mg

Questi enzimi hanno bisogno di magnesio (Mg ⁺⁺ ) e anche dell'energia che deriva dalla rottura del legame trifosfato ATP, di cui traggono vantaggio grazie a un'ATPasi.

Due siti attivi con tirosina

Le topoisomerasi umane II sono molto simili a quelle del lievito (Saccharomyces cerevisiae), che è costituito da due monomeri (sottoframmenti A e B). Ogni monomero ha un dominio ATPasi e in un sotto-frammento il sito attivo tirosina 782, a cui il DNA può legarsi. Pertanto, due filamenti di DNA possono legarsi alla topoisomerasi II.

Meccanismo di azione

Il meccanismo di azione della topoisomerasi II è lo stesso descritto per la topoisomerasi I, considerando che due filamenti di DNA sono separati e non uno solo.

Nel sito attivo della topoisomerasi II, un frammento di DNA a doppia elica, chiamato “frammento G”, viene stabilizzato (tramite legame covalente con tirosina). Questo frammento viene asportato e tenuto insieme al sito attivo da legami covalenti.

L'enzima fa quindi passare un altro frammento di DNA, chiamato “frammento T”, attraverso il frammento scisso “G”, grazie ad un cambiamento conformazionale dell'enzima, che dipende dall'idrolisi dell'ATP.

La topoisomerasi II lega le due estremità del "frammento G" e alla fine recupera il suo stato iniziale, rilasciando il frammento "G". Il DNA quindi rilassa lo stress torsionale, consentendo la replicazione e la trascrizione.

-Topoisomerasi umane

Il genoma umano ha cinque topoisomerasi: top1, top3α, top3β (tipo I); e top2α, top2β (di tipo II). Le topoisomerasi umane più rilevanti sono top1 (topoisomerasi di tipo IB) e 2α (topoisomerasi di tipo II).

Inibitori della topoisomerasi

-Topoisomerasi come bersaglio di attacchi chimici

Poiché i processi catalizzati dalle topoisomerasi sono necessari per la sopravvivenza delle cellule, questi enzimi sono un buon bersaglio di attacco per colpire le cellule maligne. Per questo motivo, le topoisomerasi sono considerate importanti nel trattamento di molte malattie umane.

I farmaci che interagiscono con le topoisomerasi sono attualmente ampiamente studiati come sostanze chemioterapiche contro le cellule tumorali (in diversi organi del corpo) e microrganismi patogeni.

-Tipi di inibizione

I farmaci che inibiscono l'attività della topoisomerasi possono:

• Inserito nel DNA.
• Influisce sull'enzima topoisomerasi.
• Intercalare in una molecola vicina al sito attivo dell'enzima mentre il complesso DNA-topoisomerasi viene stabilizzato.

La stabilizzazione del complesso transitorio formato dal legame del DNA alla tirosina del sito catalitico dell'enzima, impedisce il legame dei frammenti tagliati, che può portare alla morte cellulare.

-Farmaci inibitori della topoisomerasi

Tra i composti che inibiscono la topoisomerasi sono i seguenti.

Antibiotici antitumorali

Gli antibiotici sono usati contro il cancro, poiché impediscono la crescita delle cellule tumorali, che di solito interferiscono con il loro DNA. Questi sono spesso chiamati antibiotici antineoplastici (cancro). L'actinomicina D, ad esempio, colpisce la topoisomerasi II ed è utilizzata nei tumori di Wilms nei bambini e nei rabdomiosarcomi.

Antracicline

Le antracicline sono tra gli antibiotici, uno dei farmaci antitumorali più efficaci e con lo spettro più ampio. Sono usati per trattare il cancro del polmone, delle ovaie, dell'utero, dello stomaco, della vescica, della mammella, della leucemia e dei linfomi. È noto che influisce sulla topoisomerasi II per intercalazione nel DNA.

La prima antraciclina isolata da un actinobacteria (Streptomyces peucetius) è stata la daunorubicina. Successivamente la doxorubicina è stata sintetizzata in laboratorio e oggi vengono utilizzate anche epirubicina e idarubicina.

Antrachinoni

Gli antracinoni o antracenedioni sono composti derivati ​​dall'antracene, simili alle antracicline, che influenzano l'attività della topoisomerasi II per intercalazione nel DNA. Sono usati per il cancro al seno metastatico, il linfoma non Hodgkin (NHL) e la leucemia.

Questi farmaci sono stati trovati nei pigmenti di alcuni insetti, piante (frangula, senna, rabarbaro), licheni e funghi; così come in hoelite, che è un minerale naturale. A seconda della dose, possono essere cancerogeni.

Tra questi composti, abbiamo il mitoxantrone e il suo analogo, losoxantrone. Questi impediscono la proliferazione di cellule tumorali maligne, legandosi al DNA in modo irreversibile.

Epidofillotossine

Le podofillotossine, come le epidofillotossine (VP-16) e il teniposide (VM-26), formano un complesso con la topoisomerasi II. Sono usati contro il cancro ai polmoni, ai testicoli, alla leucemia, ai linfomi, al cancro dell'ovaio, al carcinoma mammario e ai tumori intracranici maligni, tra gli altri. Podophyllum notatum e P. peltatum sono isolati dalle piante.

Analoghi della camptotecina

Le campotecine sono composti che inibiscono la topoisomerasi I, inclusi irinotecan, topotecan e diflomotecan.

Questi composti sono stati usati contro il cancro del colon, del polmone e della mammella e sono ottenuti naturalmente dalla corteccia e dalle foglie della specie arborea Camptotheca acuminata delle cornea cinesi e tibetane.

Inibizione naturale

Anche le alterazioni strutturali delle topoisomerasi I e II possono verificarsi in modo completamente naturale. Questo può accadere durante alcuni eventi che influenzano il tuo processo catalitico.

Queste alterazioni includono la formazione di dimeri pirimidinici, disadattamento di basi di azoto e altri eventi causati dallo stress ossidativo.

Riferimenti

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