TOPOISOMERASES: ลักษณะหน้าที่ประเภทและตัวยับยั้ง - ชีววิทยา - 2026

topoisomerasesเอนไซม์ isomerases ประเภทของการปรับเปลี่ยนโครงสร้างของดีเอ็นเอ (DNA) ที่สร้างทั้งสองคลี่คลายและ supercoiling เป็นที่โค้งงอ

เอนไซม์เหล่านี้มีบทบาทเฉพาะในการบรรเทาความเครียดจากแรงบิดของดีเอ็นเอเพื่อให้กระบวนการที่สำคัญเช่นการจำลองแบบการถอดความของดีเอ็นเอไปเป็นกรดไรโบนิวคลีอิก (mRNA) และการรวมตัวกันใหม่ของดีเอ็นเอ

รูปที่ 1. Topoisomerase II. ที่มา: Emw จาก Wikimedia Commons

เอนไซม์โทโปอิโซเมอเรสมีอยู่ทั้งในเซลล์ยูคาริโอตและเซลล์โปรคาริโอต การดำรงอยู่ของมันถูกทำนายโดยนักวิทยาศาสตร์วัตสันและคริกเมื่อประเมินข้อ จำกัด ที่โครงสร้างของดีเอ็นเอนำเสนอเพื่อให้สามารถเข้าถึงข้อมูลได้ (เก็บไว้ในลำดับนิวคลีโอไทด์)

เพื่อให้เข้าใจถึงหน้าที่ของโทโปไอโซเมอราสต้องพิจารณาว่าดีเอ็นเอมีโครงสร้างเกลียวคู่ที่มั่นคงโดยเกลียวของมันจะพันทับอีกอันหนึ่ง

โซ่เชิงเส้นเหล่านี้ประกอบด้วย 2-deoxyribose ที่เชื่อมโยงกันด้วยพันธะ phosphodiester 5'-3 'และฐานไนโตรเจนที่อยู่ภายในเช่นขั้นบันไดเวียน

รูปที่ 2. โมเลกุลของดีเอ็นเอ ที่มา: https://es.m.wikipedia.org/wiki/Archivo:3DScience_DNA_structure_labeled_a.jpg

การศึกษาโครงสร้างโมเลกุลของดีเอ็นเอแสดงให้เห็นว่าพวกมันสามารถสรุปรูปแบบต่างๆได้โดยขึ้นอยู่กับความเครียดจากแรงบิด: จากสภาวะที่ผ่อนคลายไปจนถึงสถานะการขดที่แตกต่างกันซึ่งอนุญาตให้มีการบดอัด

โมเลกุลของ DNA ที่มีรูปแบบต่างกันเรียกว่าโทโปไอโซเมอร์ ดังนั้นเราจึงสามารถสรุปได้ว่าโทโปไอโซเมอเรส I และ II สามารถเพิ่มหรือลดความเครียดบิดของโมเลกุลดีเอ็นเอทำให้เกิดโทโปไอโซเมอร์ที่แตกต่างกัน

ในบรรดา DNA topoisomers ที่เป็นไปได้โครงสร้างที่พบมากที่สุดคือ supercoil ซึ่งมีขนาดกะทัดรัดมาก อย่างไรก็ตาม DNA double helix จะต้องถูกคลายออกโดย topoisomerases ในระหว่างกระบวนการทางโมเลกุลต่างๆ

ลักษณะเฉพาะ

กลไกการออกฤทธิ์ทั่วไป

โทโปไอโซเมอรัสบางชนิดสามารถผ่อนคลายได้เฉพาะซุปเปอร์คอยส์เชิงลบของดีเอ็นเอหรือซุปเปอร์คอยส์ของดีเอ็นเอทั้งสอง ได้แก่ บวกและลบ

หากดีเอ็นเอเกลียวคู่แบบวงกลมคลายออกบนแกนยาวและเกิดการหมุนทางซ้าย (ตามเข็มนาฬิกา) จะมีการกล่าวว่า supercoiled ในทางลบ หากหมุนตามเข็มนาฬิกา (ทวนเข็มนาฬิกา) แสดงว่ามีการหมุนมากเกินไป

รูปที่ 3 ดีเอ็นเอเกลียวคู่แบบเกลียวคู่ที่มีขดลวดมากและเป็นบวกในทางลบ ที่มา: Fdardel จาก Wikimedia Commons

โดยทั่วไป topoisomerases สามารถ:

- อำนวยความสะดวกให้กับทางเดินของสายดีเอ็นเอผ่านการตัดในเส้นตรงข้าม (ประเภทที่ 1 โทโปไอโซเมอเรส)

- อำนวยความสะดวกให้กับทางเดินของเกลียวคู่ที่สมบูรณ์ผ่านความแตกแยกเองหรือผ่านความแตกแยกในเกลียวคู่อื่น (โทโปไอโซเมอเรสประเภท II)

โดยสรุป topoisomerases ทำหน้าที่ผ่านความแตกแยกของพันธะ phosphodiester ในหนึ่งหรือทั้งสองเส้นที่ประกอบกันเป็น DNA จากนั้นพวกเขาปรับเปลี่ยนสถานะการขดของเกลียวคู่ (topoisomerase I) หรือของเกลียวคู่สองอัน (topoisomerase II) เพื่อผูกหรือผูกปลายที่แยกอีกครั้งในที่สุด

Topoisomerases และวัฏจักรของเซลล์

แม้ว่าโทโปไอโซเมอเรส I เป็นเอนไซม์ที่แสดงกิจกรรมที่สูงขึ้นในช่วง S (การสังเคราะห์ดีเอ็นเอ) แต่ก็ไม่ถือว่าขึ้นอยู่กับระยะของวัฏจักรเซลล์

ในขณะที่กิจกรรม topoisomerase II มีการใช้งานมากขึ้นในช่วงลอการิทึมของการเติบโตของเซลล์และในเซลล์ของเนื้องอกที่เติบโตอย่างรวดเร็ว

คุณสมบัติ

การเปลี่ยนแปลงของยีนที่เป็นรหัสสำหรับ topoisomerases เป็นอันตรายต่อเซลล์ซึ่งแสดงให้เห็นถึงความสำคัญของเอนไซม์เหล่านี้ ในกระบวนการที่ topoisomerases เข้าร่วม ได้แก่ :

การจัดเก็บสารพันธุกรรมขนาดกะทัดรัด

Topoisomerases ช่วยอำนวยความสะดวกในการจัดเก็บข้อมูลทางพันธุกรรมในรูปแบบที่กะทัดรัดเนื่องจากสร้าง DNA ที่เป็นขดและ supercoiling ทำให้สามารถพบข้อมูลจำนวนมากในปริมาณที่ค่อนข้างเล็ก

เข้าถึงข้อมูลทางพันธุกรรม

หากไม่มี topoisomerases และลักษณะเฉพาะการเข้าถึงข้อมูลที่เก็บไว้ใน DNA จะเป็นไปไม่ได้ นี่เป็นเพราะความจริงที่ว่า topoisomerases ปล่อยความเครียดแรงบิดที่สร้างขึ้นในเกลียวคู่ของ DNA เป็นระยะ ๆ ในระหว่างการคลายตัวในกระบวนการจำลองแบบการถอดความและการรวมตัวกันใหม่

รูปที่ 4 การจำลองแบบดีเอ็นเอ ดู topoisomerase ที่จุดเริ่มต้นของกิ๊บดีเอ็นเอ ที่มา: LadyofHats แปลโดย Miguelsierra ผ่าน Wikimedia Commons

หากความเครียดจากแรงบิดที่สร้างขึ้นในระหว่างกระบวนการเหล่านี้ไม่ได้รับการปลดปล่อยการแสดงออกของยีนที่บกพร่องอาจเกิดขึ้นการหยุดชะงักของ DNA หรือโครโมโซมแบบวงกลมแม้กระทั่งการตายของเซลล์

การควบคุมการแสดงออกของยีน

การเปลี่ยนแปลงตามรูปแบบ (ในโครงสร้างสามมิติ) ของโมเลกุลดีเอ็นเอจะเปิดเผยบริเวณที่เฉพาะเจาะจงออกสู่ภายนอกซึ่งสามารถโต้ตอบกับโปรตีนที่จับกับดีเอ็นเอได้ โปรตีนเหล่านี้มีหน้าที่ควบคุมการแสดงออกของยีน (บวกหรือลบ)

รูปที่ 5. โปรตีนควบคุมการแสดงออกของยีนในกรณีนี้จะป้องกันการแสดงออกของยีนบางชนิด Zephyris จาก Wikipedia ภาษาอังกฤษ

ดังนั้นสถานะการขดของดีเอ็นเอที่เกิดจากการกระทำของโทโปไอโซมอรัสจึงมีผลต่อการควบคุมการแสดงออกของยีน

ลักษณะเฉพาะของโทโปไอโซเมอเรส II

โทโปอิโซมอเรส II จำเป็นสำหรับการประกอบโครมาทิดการควบแน่นและการแยกตัวของโครโมโซมและการแยกโมเลกุลดีเอ็นเอของลูกสาวในระหว่างไมโทซิส

เอนไซม์นี้ยังเป็นโปรตีนที่มีโครงสร้างและเป็นหนึ่งในองค์ประกอบหลักของเมทริกซ์นิวเคลียสของเซลล์ในระหว่างเฟส

ประเภทของ topoisomerases

โทโปไอโซเมียรามีสองประเภทหลัก ๆ ขึ้นอยู่กับว่าพวกมันสามารถแยกดีเอ็นเอได้หนึ่งหรือสองสาย

-Topoisomerases ประเภท I

โมโนเมอริก

Topoisomerases Type I เป็นโมโนเมอร์ที่บรรเทา supercoils เชิงลบและเชิงบวกซึ่งเกิดจากการเคลื่อนตัวของกิ๊บในระหว่างการถอดความและในระหว่างกระบวนการจำลองแบบและการรวมตัวของยีน

Topoisomerases Type I สามารถแบ่งย่อยได้เป็น Type 1A และ Type 1B อย่างหลังนี้เป็นสิ่งที่พบในมนุษย์และมีหน้าที่ในการผ่อนคลาย DNA ที่มี supercoiled

ไทโรซีนในไซต์ที่ใช้งานอยู่

Topoisomerase 1B (Top1B) ประกอบด้วยกรดอะมิโน 765 ชนิดแบ่งออกเป็น 4 โดเมนเฉพาะ หนึ่งในโดเมนเหล่านี้มีพื้นที่อนุรักษ์สูงซึ่งมีไซต์ที่ใช้งานไทโรซีน (Tyr7233) topoisomerases ทั้งหมดนำเสนอไทโรซีนในไซต์ที่ใช้งานอยู่โดยมีบทบาทพื้นฐานในกระบวนการเร่งปฏิกิริยาทั้งหมด

กลไกการออกฤทธิ์

ไทโรซีนที่ใช้งานอยู่จะสร้างพันธะโควาเลนต์กับปลาย 3'- ฟอสเฟตของสายดีเอ็นเอโดยตัดและยึดไว้กับเอ็นไซม์ในขณะที่ดีเอ็นเออีกสายหนึ่งผ่านรอยแยก

การเดินผ่านของสายดีเอ็นเออื่น ๆ ผ่านเกลียวที่ถูกแยกนั้นเกิดขึ้นได้เนื่องจากการเปลี่ยนแปลงตามโครงสร้างของเอนไซม์ซึ่งก่อให้เกิดการเปิดเกลียวคู่ของดีเอ็นเอ

จากนั้น topoisomerase ฉันจะกลับสู่โครงสร้างเริ่มต้นและผูกปลายแยกอีกครั้ง สิ่งนี้เกิดขึ้นโดยกระบวนการที่ตรงกันข้ามกับการสลายของสายโซ่ดีเอ็นเอที่จุดเร่งปฏิกิริยาของเอนไซม์ ในที่สุดโทโปไอโซเมอเรสจะปล่อยสายดีเอ็นเอ

อัตราการลอกของดีเอ็นเอสูงกว่าอัตราการตัดออกดังนั้นจึงมั่นใจได้ถึงความเสถียรของโมเลกุลและความสมบูรณ์ของจีโนม

โดยสรุปให้พิมพ์ I topoisomerase catalyzes:

1. ความแตกแยกของเส้นใย
2. ทางเดินของสาระอื่น ๆ ผ่านความแตกแยก
3. การฟ้องร้องของผู้ถูกหักจะสิ้นสุดลง

- ประเภท II topoisomerases

Dimeric

โทโปไอโซเมอราชนิดที่ 2 เป็นเอนไซม์ไดเมอริกซึ่งแยกดีเอ็นเอทั้งสองออกจากกันดังนั้นจึงช่วยผ่อนคลายซูเปอร์คอยส์ที่สร้างขึ้นระหว่างการถอดความและกระบวนการเซลล์อื่น ๆ

Mg ขึ้นอยู่กับ

เอนไซม์เหล่านี้ต้องการแมกนีเซียม (Mg ⁺⁺ ) และยังต้องการพลังงานที่มาจากการทำลายพันธะ ATP triphosphate ซึ่งใช้ประโยชน์จาก ATPase

ไซต์ที่ใช้งานอยู่สองไซต์ที่มีไทโรซีน

Human topoisomerases II นั้นคล้ายกับยีสต์ (Saccharomyces cerevisiae) มากซึ่งประกอบด้วยโมโนเมอร์สองตัว (ส่วนย่อย A และ B) โมโนเมอร์แต่ละตัวมีโดเมน ATPase และในส่วนย่อยคือไทโรซีน 782 ไซต์ที่ใช้งานอยู่ซึ่ง DNA สามารถผูกได้ ดังนั้นดีเอ็นเอสองเส้นสามารถจับกับโทโปไอโซเมอเรส II ได้

กลไกการออกฤทธิ์

กลไกการออกฤทธิ์ของโทโปไอโซเมอเรส II เหมือนกับที่อธิบายไว้สำหรับโทโปอิโซเมอเรส I โดยพิจารณาว่าดีเอ็นเอสองสายแยกออกจากกันไม่ใช่เพียงเส้นเดียว

ที่บริเวณที่ใช้งานของโทโปไอโซเมอเรส II ชิ้นส่วนดีเอ็นเอแบบเกลียวคู่ที่เรียกว่า "แฟรกเมนต์ G" จะถูกทำให้เสถียร (ผ่านพันธะโคเวเลนต์กับไทโรซีน) ส่วนนี้ถูกตัดออกและยึดเข้าด้วยกันไปยังไซต์ที่ใช้งานโดยพันธะโควาเลนต์

จากนั้นเอนไซม์จะยอมให้ชิ้นส่วนดีเอ็นเออีกชิ้นที่เรียกว่า“ T Fragment” ผ่านส่วนที่แยกออก“ G” ได้เนื่องจากการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างของเอนไซม์ซึ่งขึ้นอยู่กับการย่อยสลายของ ATP

Topoisomerase II ผูกปลายทั้งสองข้างของ "G Fragment" และในที่สุดก็กู้คืนสถานะเริ่มต้นโดยปล่อยส่วน "G" จากนั้นดีเอ็นเอจะผ่อนคลายความเครียดจากแรงบิดทำให้สามารถจำลองแบบและถอดความได้

- มนุษย์ topoisomerases

จีโนมของมนุษย์มีโทโปไอโซมราส 5 ชนิด ได้แก่ top1, top3α, top3β (type I); และtop2α, top2β (ประเภท II) topoisomerases ของมนุษย์ที่เกี่ยวข้องมากที่สุดคือ top1 (type IB topoisomerase) และ2α (type II topoisomerase)

สารยับยั้ง Topoisomerase

-Topoisomerases เป็นเป้าหมายของการโจมตีทางเคมี

เนื่องจากกระบวนการเร่งปฏิกิริยาโดยโทโปไอโซเมอเรสมีความจำเป็นต่อการอยู่รอดของเซลล์เอนไซม์เหล่านี้จึงเป็นเป้าหมายที่ดีในการโจมตีเพื่อส่งผลกระทบต่อเซลล์ร้าย ด้วยเหตุนี้ topoisomerases จึงถือว่ามีความสำคัญในการรักษาโรคต่างๆของมนุษย์

ยาที่ทำปฏิกิริยากับโทโปไอโซเมอรัสในปัจจุบันมีการศึกษากันอย่างแพร่หลายว่าเป็นสารเคมีบำบัดที่ต่อต้านเซลล์มะเร็ง (ในอวัยวะต่างๆของร่างกาย) และจุลินทรีย์ที่ทำให้เกิดโรค

- ประเภทของการยับยั้ง

ยาที่ยับยั้งการทำงานของ topoisomerase สามารถ:

• ประกบด้วยดีเอ็นเอ
• ส่งผลต่อเอนไซม์โทโปไอโซเมอเรส
• Intercalate ในโมเลกุลที่อยู่ใกล้กับบริเวณที่ใช้งานของเอนไซม์ในขณะที่ DNA-topoisomerase complex มีความเสถียร

การทำให้เสถียรของคอมเพล็กซ์ชั่วคราวที่เกิดจากการจับดีเอ็นเอกับไทโรซีนของบริเวณที่เร่งปฏิกิริยาของเอนไซม์ป้องกันการจับตัวของชิ้นส่วนที่แยกออกซึ่งอาจนำไปสู่การตายของเซลล์

-Topoisomerase ยายับยั้ง

ในบรรดาสารประกอบที่ยับยั้ง topoisomerases มีดังต่อไปนี้

ยาปฏิชีวนะต้านมะเร็ง

ยาปฏิชีวนะใช้กับมะเร็งเนื่องจากป้องกันการเติบโตของเซลล์เนื้องอกโดยปกติจะรบกวน DNA สิ่งเหล่านี้มักเรียกว่ายาปฏิชีวนะ antineoplastic (มะเร็ง) ตัวอย่างเช่น Actinomycin D มีผลต่อ topoisomerase II และใช้ในเนื้องอก Wilms ในเด็กและ rhabdomyosarcomas

แอนทราไซคลิน

Anthracyclines เป็นหนึ่งในยาปฏิชีวนะซึ่งเป็นหนึ่งในยาต้านมะเร็งที่มีประสิทธิภาพมากที่สุดและมีสเปกตรัมที่กว้างที่สุด ใช้ในการรักษามะเร็งปอดรังไข่มดลูกกระเพาะปัสสาวะเต้านมมะเร็งเม็ดเลือดขาวและต่อมน้ำเหลือง เป็นที่ทราบกันดีว่ามีผลต่อโทโปไอโซเมอเรส II โดยการอินเตอร์คาลในดีเอ็นเอ

แอนทราไซคลินตัวแรกที่แยกได้จากแอคติโนแบคทีเรีย (Streptomyces peucetius) คือ daunorubicin ต่อมา doxorubicin ถูกสังเคราะห์ในห้องปฏิบัติการและในปัจจุบันยังใช้ epirubicin และ idarubicin

แอนทราควิโนน

Anthraquinones หรือ anthracenediones เป็นสารประกอบที่ได้จากแอนทราซีนคล้ายกับแอนทราไซคลินที่มีผลต่อการทำงานของโทโปไอโซเมอเรส II โดยการอินเตอร์คาลในดีเอ็นเอ ใช้สำหรับมะเร็งเต้านมระยะแพร่กระจายมะเร็งต่อมน้ำเหลืองที่ไม่ใช่ Hodgkin (NHL) และมะเร็งเม็ดเลือดขาว

ยาเหล่านี้พบในเม็ดสีของแมลงพืชบางชนิด (frangula, มะขามแขก, รูบาร์บ), ไลเคนและเชื้อรา เช่นเดียวกับใน hoelite ซึ่งเป็นแร่ธาตุจากธรรมชาติ อาจก่อมะเร็งได้ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับปริมาณของคุณ

ในบรรดาสารประกอบเหล่านี้เรามี mitoxantrone และแอนะล็อกคือ losoxantrone สิ่งเหล่านี้ป้องกันการแพร่กระจายของเซลล์มะเร็งร้ายโดยยึดติดกับ DNA อย่างไม่สามารถย้อนกลับได้

Epidophyllotoxins

Podophyllotoxins เช่น epidophyllotoxins (VP-16) และ teniposide (VM-26) เป็นสารประกอบเชิงซ้อนที่มีโทโปไอโซเมอเรส II ใช้กับมะเร็งปอดอัณฑะมะเร็งเม็ดเลือดขาวมะเร็งต่อมน้ำเหลืองมะเร็งรังไข่มะเร็งเต้านมและเนื้องอกในกะโหลกศีรษะที่เป็นมะเร็งเป็นต้น Podophyllum notatum และ P. peltatum แยกได้จากพืช

แอนะล็อก Camptothecin

Campothecins เป็นสารประกอบที่ยับยั้งโทโปไอโซเมอเรส I ได้แก่ ไอริโนทีแคนโทโปเตแคนและไดโฟโลโมทีแคน

สารประกอบเหล่านี้ถูกนำมาใช้เพื่อต่อต้านมะเร็งลำไส้ใหญ่ปอดและเต้านมและได้รับตามธรรมชาติจากเปลือกและใบของพืชชนิดหนึ่ง Camptotheca acuminata ของจีนและทิเบตcornáceas

การยับยั้งตามธรรมชาติ

การเปลี่ยนแปลงโครงสร้างของ topoisomerases I และ II ยังสามารถเกิดขึ้นได้ตามธรรมชาติ สิ่งนี้สามารถเกิดขึ้นได้ในบางเหตุการณ์ที่ส่งผลกระทบต่อกระบวนการเร่งปฏิกิริยาของคุณ

การเปลี่ยนแปลงเหล่านี้รวมถึงการก่อตัวของไพริมิดีนไดเมอร์ฐานไนโตรเจนไม่ตรงกันและเหตุการณ์อื่น ๆ ที่เกิดจากความเครียดออกซิเดชั่น

อ้างอิง

1. Anderson, H. , & Roberge, M. (1992). DNA topoisomerase II: การทบทวนการมีส่วนร่วมในโครงสร้างโครโมโซมการจำลองแบบดีเอ็นเอการถอดความและการไมโทซิส Cell Biology International Reports, 16 (8): 717–724. ดอย: 10.1016 / s0309-1651 (05) 80016-5
2. Chhatriwala, H. , Jafri, N. , และ Salgia, R. (2006). การทบทวนการยับยั้งโทโปไอโซเมอเรสในมะเร็งปอด ชีววิทยาและการบำบัดมะเร็ง, 5 (12): 1600–1607. ดอย: 10.4161 / cbt.5.12.3546
3. Ho, Y.-P. , Au-Yeung, SCF, & To, KKW (2003) สารต้านมะเร็งที่ใช้แพลตินัม: กลยุทธ์การออกแบบที่เป็นนวัตกรรมและมุมมองทางชีววิทยา Medicinal Research Reviews, 23 (5): 633–655. ดอย: 10.1002 / med.10038
4. Li, T. --K. , & Liu, LF (2001). การตายของเซลล์เนื้องอกที่เกิดจากยา topoisomerase-Targeting Annual Review of Pharmacology and Toxicology, 41 (1): 53–77. ดอย: 10.1146 / annurev.pharmtox.41.1.53
5. หลิว LF (1994). DNA Topoisomerases: Topoisomerase-Targeting Drugs สำนักพิมพ์วิชาการ. หน้า 307
6. Osheroff, N. และ Bjornsti, M. (2001). DNA Topoisomerase เอนไซม์และยา เล่ม II. กด Humana หน้า 329
7. โรเธนเบิร์กมล. (1997). สารยับยั้ง Topoisomerase I: ตรวจสอบและอัปเดต พงศาวดารมะเร็ง, 8 (9), 837–855. ดอย: 10.1023 / a: 1008270717294
8. ไรอันบี. (2552, 14 ธันวาคม). โทโปอิโซมอเรส 1 และ 2 .. กู้คืนจาก youtube.com