topoisomerases adalah enzim isomerase jenis memodifikasi topologi asam deoksiribonukleat ( DNA ), menghasilkan baik yang unwinding dan supercoiling sebagai curl nya.
Enzim-enzim tersebut memiliki peran khusus dalam menghilangkan stres torsional pada DNA sehingga dapat terjadi proses-proses penting seperti replikasi, transkripsi DNA menjadi messenger ribonucleic acid (mRNA) dan rekombinasi DNA.
Gambar 1. Topoisomerase II. Sumber: Emw [CC BY-SA 3.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0) atau GFDL (http://www.gnu.org/copyleft/fdl.html)], dari Wikimedia Commons
Enzim topoisomerase hadir dalam sel eukariotik dan prokariotik . Keberadaannya diprediksi oleh ilmuwan Watson dan Crick, ketika mengevaluasi keterbatasan struktur DNA yang disajikan untuk memungkinkan akses ke informasinya (disimpan dalam urutan nukleotidanya).
Untuk memahami fungsi topoisomerase, DNA harus dianggap memiliki struktur heliks ganda yang stabil, dengan untaiannya melilit satu sama lain.
Rantai linier ini terdiri dari 2-deoksiribosa yang dihubungkan oleh ikatan fosfodiester 5′-3 ‘, dan basa nitrogen di dalamnya, seperti anak tangga spiral.
Gambar 2. Molekul DNA. Sumber: https://es.m.wikipedia.org/wiki/Archivo:3DScience_DNA_structure_labeled_a.jpg
Studi topologi molekul DNA telah menunjukkan bahwa mereka dapat mengasumsikan berbagai konformasi tergantung pada tegangan puntir mereka: dari keadaan santai ke keadaan melingkar yang berbeda yang memungkinkan pemadatan mereka.
Molekul DNA dengan konformasi yang berbeda disebut topoisomer. Dengan demikian, kita dapat menyimpulkan bahwa topoisomerase I dan II dapat meningkatkan atau menurunkan tegangan torsional molekul DNA, membentuk topoisomer yang berbeda.
Di antara topoisomer DNA yang mungkin, konformasi yang paling umum adalah supercoil, yang sangat kompak. Namun, heliks ganda DNA juga harus dilepaskan oleh topoisomerase selama berbagai proses molekuler.
Indeks artikel
Karakteristik
Mekanisme aksi umum
Beberapa topoisomerase hanya dapat mengendurkan superkoil DNA negatif, atau kedua superkoil DNA: positif dan negatif.
Jika DNA untai ganda melingkar dilepaskan pada sumbu longitudinalnya dan terjadi belokan ke kiri (searah jarum jam), dikatakan superkoil negatif. Jika belokan searah jarum jam (berlawanan arah jarum jam), maka terjadi overcoil positif.
Gambar 3. DNA untai ganda melingkar superkoil negatif, rileks, dan positif superkoil. Sumber: Fdardel [CC BY-SA 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0)], dari Wikimedia Commons
Pada dasarnya, topoisomerase dapat:
-Memfasilitasi lewatnya untai DNA melalui potongan di untai yang berlawanan (tipe I topoisomerase).
-Memfasilitasi perjalanan heliks ganda lengkap melalui pembelahan itu sendiri, atau melalui pembelahan di heliks ganda lain yang berbeda (tipe II topoisomerase).
Singkatnya, topoisomerase bertindak melalui pembelahan ikatan fosfodiester, dalam satu atau kedua untai yang membentuk DNA. Mereka kemudian memodifikasi keadaan melingkar dari untaian heliks ganda (topoisomerase I) atau dua heliks ganda (topoisomerase II), untuk akhirnya mengikat atau mengikat ujung yang dibelah lagi.
Topoisomerase dan siklus sel
Meskipun topoisomerase I adalah enzim yang menunjukkan aktivitas yang lebih tinggi selama fase S (sintesis DNA), itu tidak dianggap tergantung pada fase siklus sel.
Sedangkan aktivitas topoisomerase II lebih aktif pada fase logaritmik pertumbuhan sel dan pada sel tumor yang tumbuh cepat.
Fitur
Perubahan gen yang mengkode topoisomerase mematikan bagi sel, membuktikan pentingnya enzim ini. Di antara proses di mana topoisomerase berpartisipasi adalah:
Penyimpanan materi genetik yang ringkas
Topoisomerase memfasilitasi penyimpanan informasi genetik dengan cara yang kompak, karena mereka menghasilkan gulungan dan superkoil DNA, memungkinkan sejumlah besar informasi ditemukan dalam volume yang relatif kecil .
Akses ke informasi genetik
Tanpa topoisomerase dan karakteristik uniknya, akses ke informasi yang disimpan dalam DNA tidak mungkin dilakukan. Hal ini disebabkan oleh fakta bahwa topoisomerase secara berkala melepaskan tekanan torsional yang dihasilkan dalam heliks ganda DNA, selama pelepasannya, dalam proses replikasi, transkripsi, dan rekombinasi.
Gambar 4. Replikasi DNA. Lihat topoisomerase di awal jepit rambut DNA. Sumber: LadyofHats diterjemahkan oleh Miguelsierra [Domain publik], melalui Wikimedia Commons
Jika stres torsional yang dihasilkan selama proses ini tidak dilepaskan, ekspresi gen yang rusak dapat terjadi, gangguan pada DNA sirkular atau kromosom, bahkan menyebabkan kematian sel.
Regulasi ekspresi gen
Perubahan konformasi (dalam struktur tiga dimensi) dari molekul DNA mengekspos daerah tertentu ke luar, yang dapat berinteraksi dengan protein pengikat DNA. Protein ini memiliki fungsi regulasi ekspresi gen (positif atau negatif).
Gambar 5. Protein pengatur ekspresi gen, dalam hal ini mencegah ekspresi gen tertentu. Zephyris di Wikipedia bahasa Inggris [GFDL (http://www.gnu.org/copyleft/fdl.html) atau CC-BY-SA-3.0 (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/ )]
Dengan demikian, keadaan melingkar DNA, yang dihasilkan oleh aksi topoisomerase, mempengaruhi regulasi ekspresi gen.
Kekhasan topoisomerase II
Topoisomerase II diperlukan untuk perakitan kromatid, kondensasi dan dekondensasi kromosom, dan pemisahan molekul DNA anak selama mitosis.
Enzim ini juga merupakan protein struktural dan salah satu penyusun utama matriks inti sel selama interfase .
Jenis-jenis topoisomerase
Ada dua jenis utama topoisomerase tergantung pada apakah mereka mampu membelah satu atau dua untai DNA.
-Topoisomerase tipe I
Monomerik
Topoisomerase tipe I adalah monomer yang mengurangi superkoil negatif dan positif, yang dihasilkan oleh gerakan jepit rambut selama transkripsi, dan selama proses replikasi dan rekombinasi gen.
Topoisomerase tipe I dapat dibagi lagi menjadi tipe 1A dan tipe 1B. Yang terakhir adalah yang ditemukan pada manusia, dan bertanggung jawab untuk merelaksasi DNA superkoil.
Tirosin di situs aktifnya
Topoisomerase 1B (Top1B) terdiri dari 765 asam amino yang dibagi menjadi 4 domain spesifik. Salah satu domain ini memiliki area yang sangat terkonservasi yang mengandung situs aktif tirosin (Tyr7233). Semua topoisomerase hadir di situs aktif mereka tirosin dengan peran mendasar dalam seluruh proses katalitik.
Mekanisme aksi
Situs aktif tirosin membentuk ikatan kovalen dengan ujung 3′-fosfat dari untai DNA, memotongnya dan menahannya untuk melekat pada enzim, sementara untai DNA lain melewati pembelahan.
Bagian dari untai DNA lain melalui untai split dicapai berkat transformasi konformasi enzim, yang menghasilkan pembukaan heliks ganda DNA.
Kemudian topoisomerase I kembali ke konformasi awal dan mengikat ujung yang terbelah lagi. Hal ini terjadi dengan proses kebalikan dari pemecahan rantai DNA, di situs katalitik enzim. Akhirnya, topoisomerase melepaskan untai DNA.
Laju ligasi DNA lebih tinggi dari laju eksisi, sehingga menjamin stabilitas molekul dan integritas genom.
Singkatnya, topoisomerase tipe I mengkatalisis:
- Pembelahan untai.
- Bagian dari untai lain melalui pembelahan.
- Ligasi ujung yang dibelah.
-Topoisomerase tipe II
Dimerik
Topoisomerase tipe II adalah enzim dimer, yang membelah kedua untai DNA, sehingga mengendurkan superkoil yang dihasilkan selama transkripsi dan proses seluler lainnya.
Tergantung Mg ++ dan ATP
Enzim ini membutuhkan magnesium (Mg ++ ) dan mereka juga membutuhkan energi yang berasal dari pemutusan ikatan trifosfat ATP , yang mereka manfaatkan berkat ATPase.
Dua situs aktif dengan tirosin
Topoisomerase II manusia sangat mirip dengan ragi ( Saccharomyces cerevisiae ), yang terdiri dari dua monomer (subfragmen A dan B). Setiap monomer memiliki domain ATPase, dan dalam sub-fragmen situs aktif tirosin 782, tempat DNA dapat mengikat. Dengan demikian, dua untai DNA dapat mengikat topoisomerase II.
Mekanisme aksi
Mekanisme kerja topoisomerase II sama dengan yang dijelaskan untuk topoisomerase I, mengingat dua untai DNA dibelah dan bukan hanya satu.
Di situs aktif topoisomerase II, sebuah fragmen DNA beruntai ganda, yang disebut “fragmen G”, distabilkan (melalui ikatan kovalen dengan tirosin) . Fragmen ini dipotong dan disatukan ke situs aktif oleh ikatan kovalen.
Enzim kemudian memungkinkan fragmen DNA lain, yang disebut “fragmen T”, untuk melewati fragmen yang dibelah “G”, berkat perubahan konformasi enzim, yang bergantung pada hidrolisis ATP.
Topoisomerase II mengikat kedua ujung “fragmen G” dan akhirnya memulihkan keadaan awalnya, melepaskan fragmen “G”. DNA kemudian mengendurkan tekanan puntir, memungkinkan terjadinya replikasi dan transkripsi.
-Topoisomerase manusia
Genom manusia memiliki lima topoisomerase: top1, top3α, top3 (tipe I); dan top2α, top2 (tipe II). Topoisomerase manusia yang paling relevan adalah top1 (topoisomerase tipe IB) dan 2α (topoisomerase tipe II).
Inhibitor topoisomerase
-Topoisomerase sebagai target serangan kimia
Karena proses yang dikatalisis oleh topoisomerase diperlukan untuk kelangsungan hidup sel, enzim ini merupakan target serangan yang baik untuk mempengaruhi sel-sel ganas. Untuk alasan ini, topoisomerase dianggap penting dalam pengobatan banyak penyakit manusia.
Obat-obatan yang berinteraksi dengan topoisomerase saat ini banyak dipelajari sebagai zat kemoterapi terhadap sel kanker (di berbagai organ tubuh) dan mikroorganisme patogen.
-Jenis penghambatan
Obat yang menghambat aktivitas topoisomerase dapat:
- Terjepit dalam DNA.
- Mempengaruhi enzim topoisomerase.
- Interkalasi dalam molekul yang dekat dengan situs aktif enzim sementara kompleks DNA-topoisomerase distabilkan.
Stabilisasi kompleks transien yang dibentuk oleh pengikatan DNA ke tirosin situs katalitik enzim, mencegah pengikatan fragmen yang dibelah, yang dapat menyebabkan kematian sel.
-Obat penghambat topoisomerase
Diantara senyawa yang menghambat topoisomerase adalah sebagai berikut.
Antibiotik antitumor
Antibiotik digunakan untuk melawan kanker, karena mereka mencegah pertumbuhan sel tumor, biasanya mengganggu DNA mereka. Ini sering disebut antibiotik antineoplastik (kanker). Actinomycin D, misalnya, mempengaruhi topoisomerase II dan digunakan pada tumor Wilms pada anak-anak dan rhabdomyosarcomas.
Antrasiklin
Antrasiklin adalah, di antara antibiotik, salah satu obat antikanker yang paling efektif dan dengan spektrum terluas. Mereka digunakan untuk mengobati kanker paru-paru, ovarium, rahim, perut, kandung kemih, payudara, leukemia, dan limfoma. Hal ini diketahui mempengaruhi topoisomerase II dengan interkalasi dalam DNA.
Anthracycline pertama yang diisolasi dari actinobacterium ( Streptomyces peucetius ) adalah daunorubicin. Selanjutnya, doxorubicin disintesis di laboratorium, dan epirubicin dan idarubicin juga digunakan saat ini.
Antrakuinon
Antrakuinon atau antracenedion adalah senyawa turunan antrasena, mirip dengan antrasiklin, yang mempengaruhi aktivitas topoisomerase II melalui interkalasi dalam DNA. Mereka digunakan untuk kanker payudara metastatik, limfoma non-Hodgkin (NHL), dan leukemia.
Obat ini ditemukan dalam pigmen beberapa serangga, tanaman (frangula, senna, rhubarb), lumut dan jamur; serta hoelite, yang merupakan mineral alami. Tergantung pada dosis Anda, mereka bisa menjadi karsinogenik.
Di antara senyawa ini, kita memiliki mitoxantrone dan analognya, losoxantrone. Ini mencegah proliferasi sel tumor ganas, mengikat DNA secara ireversibel.
Epidophyllotoxins
Podophyllotoxins, seperti epidophyllotoxins (VP-16) dan teniposide (VM-26), membentuk kompleks dengan topoisomerase II. Mereka digunakan untuk melawan kanker paru-paru, testis, leukemia, limfoma, kanker ovarium, karsinoma payudara dan tumor intrakranial ganas, antara lain. Podophyllum notatum dan P. peltatum diisolasi dari tumbuhan .
Analog Camptothecin
Campothecins adalah senyawa yang menghambat topoisomerase I, termasuk irinotecan, topotecan, dan diflomotecan.
Senyawa ini telah digunakan untuk melawan kanker usus besar, paru-paru dan payudara, dan diperoleh secara alami dari kulit kayu dan daun spesies arboreal Camptotheca acuminata dari cornceae Cina dan Tibet.
Penghambatan alami
Perubahan struktur topoisomerase I dan II juga dapat terjadi secara alami. Ini dapat terjadi selama beberapa peristiwa yang memengaruhi proses katalitik Anda.
Perubahan ini termasuk pembentukan dimer pirimidin, ketidakcocokan basa nitrogen, dan peristiwa lain yang disebabkan oleh stres oksidatif.
Referensi
- Anderson, H., & Roberge, M. (1992). DNA topoisomerase II: Tinjauan keterlibatannya dalam struktur kromosom, replikasi DNA, transkripsi dan mitosis. Laporan Internasional Biologi Sel, 16 (8): 717–724. doi: 10.1016 / s0309-1651 (05) 80016-5
- Chhatriwala, H., Jafri, N., & Salgia, R. (2006). Tinjauan penghambatan topoisomerase pada kanker paru-paru. Biologi & Terapi Kanker, 5 (12): 1600–1607. doi: 10.4161 / cbt.5.12.3546
- Ho, Y.-P., Au-Yeung, SCF, & To, KKW (2003). Agen antikanker berbasis platinum: Strategi desain inovatif dan perspektif biologis. Ulasan Penelitian Obat, 23 (5): 633–655. doi: 10.1002 / med.10038
- Li, T.-K., & Liu, LF (2001). Kematian sel tumor yang diinduksi oleh obat penargetan topoisomerase. Tinjauan Tahunan Farmakologi dan Toksikologi, 41 (1): 53-77. doi: 10.1146 / annurev.pharmtox.41.1.53
- Liu, LF (1994). DNA Topoisomerase: Obat Penargetan Topoisomerase. Pers Akademik. hal 307
- Osheroff, N. dan Bjornsti, M. (2001). DNA topoisomerase. Enzimologi dan Obat-obatan. Jil.II. Pers Manusia. hal 329.
- Rothenberg, ML (1997). Inhibitor topoisomerase I: Tinjau dan perbarui. Sejarah Onkologi, 8 (9), 837–855. doi: 10.1023 / a: 1008270717294
- Ryan B. (2009, 14 Desember). Topoisomerase 1 dan 2. [File video]. Dipulihkan dari youtube.com