TOPOISOMERASE: ĐẶC ĐIỂM, CHỨC NĂNG, LOẠI VÀ CHẤT ỨC CHẾ - SINH HỌC - 2026

Các topoisomerases là các enzym isomerase một loại sửa đổi topo của axit deoxyribonucleic (ADN), tạo ra cả hai thư giãn và supercoiling như curl của nó.

Các enzym này có vai trò cụ thể trong việc giảm căng thẳng xoắn trên ADN để các quá trình quan trọng như sao chép, phiên mã ADN thành axit ribonucleic thông tin (mRNA) và tái tổ hợp ADN có thể xảy ra.

Hình 1. Topoisomerase II. Nguồn: Emw, từ Wikimedia Commons

Enzyme topoisomerase có trong cả tế bào nhân thực và tế bào nhân sơ. Sự tồn tại của nó đã được dự đoán bởi các nhà khoa học Watson và Crick, khi đánh giá những hạn chế mà cấu trúc của DNA đưa ra để cho phép truy cập thông tin của nó (được lưu trữ trong trình tự nucleotide của nó).

Để hiểu được các chức năng của topoisomerase, cần phải xem xét rằng DNA có cấu trúc chuỗi xoắn kép ổn định, với các sợi của nó quấn chồng lên nhau.

Các chuỗi tuyến tính này được tạo thành từ 2-deoxyribose được liên kết bởi các liên kết 5'-3 'phosphodiester và các bazơ nitơ bên trong, giống như các bậc của cầu thang xoắn ốc.

Hình 2. Phân tử DNA. Nguồn: https://es.m.wikipedia.org/wiki/Archivo:3DScience_DNA_osystem_labeled_a.jpg

Nghiên cứu cấu trúc liên kết của các phân tử DNA đã chỉ ra rằng chúng có thể giả định các cấu trúc khác nhau phụ thuộc vào ứng suất xoắn của chúng: từ trạng thái thoải mái đến các trạng thái cuộn khác nhau cho phép nén chặt chúng.

Các phân tử DNA có cấu trúc khác nhau được gọi là đồng phân topo. Do đó, chúng ta có thể kết luận rằng topoisomerase I và II có thể làm tăng hoặc giảm ứng suất xoắn của phân tử DNA, tạo thành các đồng phân topo khác nhau của chúng.

Trong số các đồng phân cấu tạo topo có thể có của DNA, cấu trúc phổ biến nhất là supercoil, rất nhỏ gọn. Tuy nhiên, chuỗi xoắn kép DNA cũng phải không bị liên kết bởi topoisomerase trong các quá trình phân tử khác nhau.

nét đặc trưng

Cơ chế hoạt động chung

Một số topoisomerase chỉ có thể làm giãn các mạch siêu âm của DNA, hoặc cả hai siêu cuộn DNA: dương tính và âm tính.

Nếu DNA sợi kép tròn không bị xoắn trên trục dọc của nó và xảy ra hiện tượng quay trái (theo chiều kim đồng hồ), thì nó được cho là siêu cuộn âm. Nếu lượt theo chiều kim đồng hồ (ngược chiều kim đồng hồ), nó bị quá mức dương.

Hình 3. DNA sợi kép tròn siêu xoắn, giãn và siêu xoắn âm. Nguồn: Fdardel, từ Wikimedia Commons

Về cơ bản, topoisomerase có thể:

- Tạo điều kiện cho sợi DNA đi qua một đoạn cắt ở sợi đối diện (topoisomerase loại I).

- Tạo điều kiện cho sự di chuyển của một chuỗi xoắn kép hoàn chỉnh thông qua một sự phân cắt của chính nó, hoặc thông qua sự phân cắt trong một chuỗi xoắn kép khác (topoisomerase loại II).

Tóm lại, topoisomerase hoạt động thông qua sự phân cắt các liên kết phosphodiester, trong một hoặc cả hai sợi tạo nên DNA. Sau đó, họ sửa đổi trạng thái cuộn của các sợi của một chuỗi xoắn kép (topoisomerase I) hoặc của hai chuỗi xoắn kép (topoisomerase II), để cuối cùng buộc hoặc buộc lại các đầu đã phân cắt.

Topoisomerase và chu kỳ tế bào

Mặc dù topoisomerase I là một enzym thể hiện hoạt tính cao hơn trong giai đoạn S (tổng hợp DNA), nó không được coi là phụ thuộc vào một giai đoạn của chu kỳ tế bào.

Trong khi đó hoạt động của topoisomerase II hoạt động mạnh hơn trong giai đoạn logarit của sự phát triển tế bào và trong các tế bào của khối u phát triển nhanh.

Đặc trưng

Việc thay đổi các gen mã hóa topoisomerase có thể gây chết tế bào, chứng tỏ tầm quan trọng của các enzym này. Trong số các quá trình mà topoisomerase tham gia, là:

Lưu trữ nhỏ gọn vật liệu di truyền

Topoisomerase tạo điều kiện thuận lợi cho việc lưu trữ thông tin di truyền một cách nhỏ gọn, bởi vì chúng tạo ra sự cuộn và siêu cuộn của DNA, cho phép một lượng lớn thông tin được tìm thấy trong một khối lượng tương đối nhỏ.

Tiếp cận thông tin di truyền

Nếu không có topoisomerase và các đặc điểm riêng biệt của chúng, việc truy cập thông tin được lưu trữ trong DNA sẽ là không thể. Điều này là do các topoisomerase giải phóng định kỳ ứng suất xoắn được tạo ra trong chuỗi xoắn kép DNA, trong quá trình tháo xoắn của nó, trong các quá trình sao chép, phiên mã và tái tổ hợp.

Hình 4. Sự sao chép DNA. Xem topoisomerase ở phần đầu của kẹp tóc DNA. Nguồn: LadyofHats do Miguelsierra dịch, qua Wikimedia Commons

Nếu căng thẳng xoắn tạo ra trong quá trình này không được giải phóng, biểu hiện gen bị lỗi có thể xảy ra, gián đoạn DNA tròn hoặc nhiễm sắc thể, thậm chí gây chết tế bào.

Điều hòa biểu hiện gen

Những thay đổi về cấu trúc (trong cấu trúc ba chiều) của phân tử DNA làm lộ các vùng cụ thể ra bên ngoài, vùng này có thể tương tác với các protein liên kết DNA. Các protein này có chức năng điều hòa biểu hiện gen (tích cực hoặc tiêu cực).

Hình 5. Protein điều hòa biểu hiện gen, trong trường hợp này nó ngăn cản sự biểu hiện của một số gen nhất định. Zephyris tại Wikipedia tiếng Anh

Do đó, trạng thái cuộn của DNA, được tạo ra bởi hoạt động của topoisomerase, ảnh hưởng đến việc điều hòa biểu hiện gen.

Đặc điểm riêng của topoisomerase II

Topoisomerase II cần thiết cho việc lắp ráp các crômatit, sự ngưng tụ và giảm phân của nhiễm sắc thể, và sự phân ly của các phân tử DNA con trong quá trình nguyên phân.

Enzyme này cũng là một protein cấu trúc và là một trong những thành phần chính của chất nền nhân tế bào trong giai đoạn interphase.

Các loại topoisomerase

Có hai loại topoisomerase chính tùy thuộc vào việc chúng có thể phân cắt một hoặc hai sợi DNA.

-Topoisomerase loại I

Monomeric

Topoisomerase loại I là các monome làm giảm bớt các siêu xoắn âm và dương, được tạo ra bởi chuyển động của kẹp tóc trong quá trình phiên mã, và trong quá trình sao chép và tái tổ hợp gen.

Topoisomerase loại I có thể được chia nhỏ thành loại 1A và loại 1B. Loại thứ hai là những chất được tìm thấy ở người, và chúng có nhiệm vụ làm giãn DNA siêu cuộn.

Tyrosine trong trang web hoạt động của nó

Topoisomerase 1B (Top1B) được tạo thành từ 765 axit amin chia thành 4 miền cụ thể. Một trong những miền này có khu vực được bảo tồn cao chứa vị trí hoạt động của tyrosine (Tyr7233). Tất cả các topoisomerase đều có tyrosine tại vị trí hoạt động của chúng với vai trò cơ bản trong toàn bộ quá trình xúc tác.

Cơ chế hoạt động

Tyrosine ở vị trí hoạt động tạo thành liên kết cộng hóa trị với đầu 3'-phosphate của sợi DNA, cắt nó và giữ nó gắn vào enzyme, trong khi một sợi DNA khác đi qua đoạn phân cắt.

Việc chuyển sợi DNA khác qua sợi tách được thực hiện nhờ sự biến đổi cấu trúc của enzyme, tạo ra sự mở đầu của chuỗi xoắn kép DNA.

Sau đó, topoisomerase I trở lại cấu trúc ban đầu và liên kết các đầu đã phân cắt lại. Điều này xảy ra bởi một quá trình ngược lại với quá trình phá vỡ chuỗi DNA, tại vị trí xúc tác của enzyme. Cuối cùng, topoisomerase giải phóng sợi DNA.

Tốc độ thắt của DNA cao hơn tốc độ cắt bỏ, do đó đảm bảo sự ổn định của phân tử và tính toàn vẹn của bộ gen.

Tóm lại, topoisomerase loại I xúc tác:

1. Sự phân cắt của một sợi.
2. Sự thông qua của sợi kia qua sự phân cắt.
3. Thắt các đầu bị phân cắt.

-Type II topoisomerase

Dimeric

Topoisomerase loại II là các enzym dimeric, phân cắt cả hai sợi DNA, do đó làm giãn các siêu mạch được tạo ra trong quá trình phiên mã và các quá trình tế bào khác.

Phụ thuộc Mg

Các enzym này cần magiê (Mg ⁺⁺ ) và cũng cần năng lượng có được từ việc phá vỡ liên kết ATP triphosphat, mà chúng tận dụng được nhờ ATPase.

Hai trang web hoạt động với tyrosine

Topoisomerase II của người rất giống với nấm men (Saccharomyces cerevisiae), được tạo thành từ hai đơn phân (phân đoạn A và B). Mỗi đơn phân có một miền ATPase, và trong một đoạn nhỏ có vị trí hoạt động tyrosine 782, nơi DNA có thể liên kết. Do đó, hai sợi DNA có thể liên kết với topoisomerase II.

Cơ chế hoạt động

Cơ chế hoạt động của topoisomerase II giống như cơ chế được mô tả đối với topoisomerase I, xem xét rằng hai sợi DNA được tách ra chứ không chỉ là một.

Tại vị trí hoạt động của topoisomerase II, một đoạn DNA xoắn kép, được gọi là “đoạn G”, được ổn định (thông qua liên kết cộng hóa trị với tyrosine). Đoạn này được cắt ra và giữ với nhau ở vị trí hoạt động bằng các liên kết cộng hóa trị.

Sau đó, enzyme cho phép một đoạn DNA khác, được gọi là “đoạn T”, đi qua đoạn bị phân cắt “G”, nhờ vào sự thay đổi cấu trúc của enzyme, phụ thuộc vào quá trình thủy phân ATP.

Topoisomerase II gắn hai đầu của "mảnh G" và cuối cùng phục hồi trạng thái ban đầu, giải phóng mảnh "G". Sau đó, DNA làm giãn căng thẳng xoắn, cho phép sao chép và phiên mã xảy ra.

-Những cụm từ topoisomerase của con người

Bộ gen người có năm topoisomerase: top1, top3α, top3β (loại I); và top2α, top2β (thuộc loại II). Các topoisomerase có liên quan nhất ở người là top1 (topoisomerase loại IB) và 2α (topoisomerase loại II).

Thuốc ức chế topoisomerase

-Topoisomerase là mục tiêu của cuộc tấn công hóa học

Bởi vì các quá trình được xúc tác bởi topoisomerase là cần thiết cho sự tồn tại của tế bào, các enzym này là mục tiêu tấn công tốt để ảnh hưởng đến các tế bào ác tính. Vì lý do này, topoisomerase được coi là quan trọng trong điều trị nhiều bệnh ở người.

Thuốc tương tác với topoisomerase hiện đang được nghiên cứu rộng rãi như các chất hóa trị liệu chống lại các tế bào ung thư (trong các cơ quan khác nhau của cơ thể) và vi sinh vật gây bệnh.

-Các loại ức chế

Thuốc ức chế hoạt động của topoisomerase có thể:

• Kẹp trong DNA.
• Ảnh hưởng đến enzym topoisomerase.
• Đan xen trong phân tử gần vị trí hoạt động của enzym trong khi phức hợp DNA-topoisomerase được ổn định.

Sự ổn định của phức hợp nhất thời được hình thành do liên kết của DNA với tyrosine của vị trí xúc tác của enzyme, ngăn cản sự liên kết của các đoạn bị phân cắt, có thể dẫn đến chết tế bào.

-Thuốc ức chế menrase

Trong số các hợp chất ức chế topoisomerase là sau đây.

Thuốc kháng sinh chống u

Thuốc kháng sinh được sử dụng để chống lại ung thư, vì chúng ngăn chặn sự phát triển của các tế bào khối u, thường là can thiệp vào DNA của chúng. Chúng thường được gọi là thuốc kháng sinh chống ung thư (ung thư). Ví dụ như Actinomycin D ảnh hưởng đến topoisomerase II và được sử dụng trong các khối u Wilms ở trẻ em và u cơ vân.

Anthracyclines

Anthracyclines là một trong những loại thuốc kháng sinh, một trong những loại thuốc chống ung thư hiệu quả nhất và có phổ rộng nhất. Chúng được sử dụng để điều trị ung thư phổi, buồng trứng, tử cung, dạ dày, bàng quang, vú, bệnh bạch cầu và u lympho. Nó được biết là ảnh hưởng đến topoisomerase II bằng cách xen kẽ trong DNA.

Anthracycline đầu tiên được phân lập từ vi khuẩn actinobacteria (Streptomyces peucetius) là daunorubicin. Sau đó doxorubicin được tổng hợp trong phòng thí nghiệm, ngày nay epirubicin và idarubicin cũng được sử dụng.

Anthraquinon

Anthraquinones hoặc anthracenediones là các hợp chất có nguồn gốc từ anthracene, tương tự như anthracycline, ảnh hưởng đến hoạt động của topoisomerase II bằng cách xen kẽ trong DNA. Chúng được sử dụng cho bệnh ung thư vú di căn, ung thư hạch không Hodgkin (NHL) và bệnh bạch cầu.

Những loại thuốc này được tìm thấy trong sắc tố của một số côn trùng, thực vật (frangula, senna, đại hoàng), địa y và nấm; cũng như trong hoelite, là một khoáng chất tự nhiên. Tùy thuộc vào liều lượng của bạn, chúng có thể gây ung thư.

Trong số các hợp chất này, chúng ta có mitoxantrone và chất tương tự của nó, losoxantrone. Chúng ngăn chặn sự gia tăng của các tế bào khối u ác tính, liên kết với DNA không thể đảo ngược.

Epidophyllotoxin

Các độc tố podophyllotoxin, chẳng hạn như các độc tố gây tê (VP-16) và teniposide (VM-26), tạo thành một phức hợp với topoisomerase II. Chúng được sử dụng để chống lại ung thư phổi, ung thư tinh hoàn, bệnh bạch cầu, u lympho, ung thư buồng trứng, ung thư biểu mô vú và các khối u ác tính nội sọ, trong số những loại khác. Podophyllum notatum và P. peltatum được phân lập từ thực vật.

Các chất tương tự camptothecin

Campothecins là các hợp chất ức chế topoisomerase I, bao gồm irinotecan, topotecan và diflomotecan.

Những hợp chất này đã được sử dụng để chống lại ung thư ruột kết, phổi và ung thư vú, và được lấy tự nhiên từ vỏ và lá của loài cây thực vật Camptotheca acuminata của ngô Trung Quốc và Tây Tạng.

Ức chế tự nhiên

Sự thay đổi cấu trúc của topoisomerase I và II cũng có thể xảy ra hoàn toàn tự nhiên. Điều này có thể xảy ra trong một số sự kiện ảnh hưởng đến quá trình xúc tác của bạn.

Những thay đổi này bao gồm sự hình thành chất dimer pyrimidine, sự không phù hợp bazơ nitơ và các sự kiện khác do ứng suất oxy hóa gây ra.

Người giới thiệu

1. Anderson, H., & Roberge, M. (1992). DNA topoisomerase II: Đánh giá sự tham gia của nó vào cấu trúc nhiễm sắc thể, sao chép DNA, phiên mã và nguyên phân. Báo cáo Quốc tế về Sinh học Tế bào, 16 (8): 717–724. doi: 10.1016 / s0309-1651 (05) 80016-5
2. Chhatriwala, H., Jafri, N., & Salgia, R. (2006). Một đánh giá về sự ức chế topoisomerase trong ung thư phổi. Sinh học & Trị ​​liệu Ung thư, 5 (12): 1600–1607. doi: 10.4161 / cbt.5.12.3546
3. Ho, Y.-P., Au-Yeung, SCF, & To, KKW (2003). Các chất chống ung thư gốc bạch kim: Các chiến lược thiết kế sáng tạo và quan điểm sinh học. Đánh giá Nghiên cứu Dược liệu, 23 (5): 633–655. doi: 10.1002 / med.10038
4. Li, T.-K., & Liu, LF (2001). Tế bào khối u chết do thuốc nhắm mục tiêu topoisomerase. Đánh giá hàng năm về Dược lý và Độc học, 41 (1): 53–77. doi: 10.1146 / annurev.pharmtox.41.1.53
5. Liu, LF (1994). DNA Topoisomerase: Thuốc nhắm mục tiêu Topoisomerase. Báo chí Học thuật. trang 307
6. Osheroff, N. và Bjornsti, M. (2001). DNA Topoisomerase. Enzymology và Thuốc. Quyển II. Humana Press. trang 329.
7. Rothenberg, ML (1997). Thuốc ức chế topoisomerase I: Xem xét và cập nhật. Biên niên sử về Ung thư học, 8 (9), 837–855. doi: 10.1023 / a: 1008270717294
8. Ryan B. (2009, ngày 14 tháng 12). Topoisomerase 1 và 2.. Đã khôi phục từ youtube.com