Topoisomerase

As topoisomerases (tipo I: EC 5.99.1.2, e tipo II: EC 5.99.1.3) son encimas que regulan o enrolamento do ADN. As topoisomerases teñen que superar o problema que representa a natureza entrelazada da estrutura de dobre hélice do ADN. Por exemplo, durante a replicación do ADN, o ADN queda sobreenrolado por diante da forquita de replicación. Se a tensión que produce non se reduce, chegaría finalmente a facer que se tivese que parar a replicación do ADN. Algo similar ocorre durante a transcrición.

Para superar este tipo de problemas topolóxicos causados pola dobre hélice, as topoisomerases únense a unha das cadeas do ADN ou ás dúas e cortan o esqueleto pentosa-fosfato do ADN dunha das cadeas ou de ambas e volven a unilo. Esta rotura das cadeas permite que o ADN sexa desenredado ou desenrolado, e, ao final do proceso, o esqueleto pentosa-fosfato do ADN volve a selarse de novo. Como a composición química global e a conectividade do ADN non cambia, os ADNs enredados ou desenredados son isómeros químicos, que difiren só na súa topoloxía global, e de aí vén o nome dos encimas. Por tanto, as topoisomerases son encimas isomerases que actúan sobre a topoloxía do ADN.^[1]

Descubrimento

A necesidade de que existise un encima deste tipo, que resolvese os problemas do desenredamento do ADN, xa a indicaron Watson e Crick antes de que se descubrise o encima. A primeira topoisomerase que se coñeceu descubriuna James C. Wang e foi a topo I de E. coli.^[2]

Función

A configuración en dobre hélice do ADN fai que as súas dúas febras sexan difíciles de separar, pero deben ser separadas polas helicases para que outros encimas poidan realizar a transcrición das secuencias de ADN que codifican as proteínas, ou a replicación do ADN. No ADN circular, como o das bacterias ou as mitocondrias, as dúas fibras están topoloxicamente ligadas, ou anoadas. Uns bucles idénticos de ADN con diferente número de xiros, son topoisómeros, e non poden ser interconvertidos por ningún proceso que non requira que se rompan as febras do ADN. As topoisomerases catalizan e guían o desanoamento ou destorcemento do ADN^[3] ao crearen roturas transitorias no ADN utilizando unha tirosina conservada como residuo catalítico.^[1]

A inserción do ADN viral nos cromosomas e outras formas de recombinación poden tamén requirir a acción de topoisomerases.

Importancia clínica

Véxase tamén: Inhibidor da topoisomerase.

Moitos fármacos actúan interferindo coas topoisomerases [1]. Os antibióticos de amplo espectro fluoroquinolonas actúan interrompendo o funcionamento de topoisomerases de tipo II bacterianas. Estas pequenas moléculas inhibidores actúan como eficientes axentes antibacterianos ao secuestraren a capacidade natural das topoisomerases para crear roturas no ADN.

Algunhas drogas de quimioterapia chamadas inhibidores da topoisomerase (entre os que hai diversos fármacos e fenois naturais) funcionan interferindo coas topoisomerases eucarióticas de mamífero en células cancerosas. Isto provoca roturas no ADN que finalmente levan a unha morte celular programada (apoptose). Este efecto de causar danos no ADN, ademais das súas potenciais propiedades curativas, podería orixinar neoplasmas secundarios no paciente.^[4]

A topoisomerase I é o antíxeno que recoñecen os anticorpos Anti Scl-70 no escleroderma.

Problemas topolóxicos

Hai tres tipos principais de topoloxías do ADN: superenrolamento, anoamento e catenación. Cando o ADN non está realizando procesos esenciais como a replicación do ADN e a transcrición, o ADN debe manterse tan compacto como sexa posible, e estes tres estados contribúen a esa compactación. Porén, cando ten lugar a transcrición ou a replicación, o ADN debe estar libre. A medida que avanza unha burbulla de replicación, O ADN que está por diante da forquita de transcrición sofre un sobreenrolamento, ou un superenrolamento positivo, mentres que o ADN que queda detrás da burbulla de transcrición sofre un subenrolamento, ou superenrolamento negativo e queda enredado formando precatenanos. Un dos problemas topolóxicos esenciais preséntase no mesmo momento de iniciar a replicación, cando o ADN fillo debe ser desenredado. A topoisomerase IIA xoga un papel esencial en resolver este problema.

Tipos

As topoisomerases clasifícanse en dous tipos dependendo do número de febras que corten nunha soa acción:^[5] Ambos os tipos de topoisomerases utilizan unha tirosina conservada na catálise, pero son diferentes estruturalmente e na súa mecánica. Un vídeo deste proceso pode verse aquí.

• A topoisomerase de tipo I corta unha febra do ADN de dobre hélice, producíndose unha relaxación, e despois a febra cortada volve a unirse. Ao cortarse unha febra, a parte da molécula que está a un lado do corte pode rotar arredor da febra non cortada, reducindo dese modo o estrés desde un enrolamento excesivo que había na hélice a un enrolamento demasiado escaso. Este estrés prodúcese cando a febra de ADN está "superenrolada" ou cando non está enrolada a partir de ou para dar lugar a ordes máis altos de enrolamento. As topoisomerase de tipo I están subdivididas en dúas subclases: as de tipo IA, que comparten moitas características estruturais e no seu mecanismo de funcionamento coas de tipo II, e as de tipo IB, que utilizan un mecanismo rotatorio controlado. Exemplos de topoisomerases de tipo IA son a topo I e topo III. No pasado, as de tipo IB denominábanse topoisomerases eucarióticas topo I, pero as topoisomerases IB están presentes en todos os dominios da vida, polo que ese nome non era axeitado. Hai que salientar que as topoisomerases de tipo IA forman un intermediario covalente co extremo 5' do ADN, mentres que as topoisomerases IB forman un intermediario covalente co extremo 3' do ADN. Recentemente, identificouse o tipo IC de topoisomerases, chamado topo V, o cal, aínda que é distinta estruturalmente dos tipos IA e IB, comparte un mecanismo similar coas topoisomerases de tipo IB.
• A topoisomerase de tipo II corta ambas as febras da dobre hélice do ADN, fai pasar outro dúplex de ADN a través da zona de corte, e despois volve a unir as febras cortadas. As topoisomerases de tipo II utilizan a hidrólise do ATP, cousa que non fan as de tipo I. Tamén están divididas en dúas subclases: as de tipo IIA e as de tipo IIB, que teñen a mesma estrutura e mecanismo de acción. Exemplos de topoisomerases de tipo IIA son a topoisomerase eucariótica topo II, a xirase de E. coli, e a topo IV de E. coli. Exemplo do tipo IIB é a topo VI.

Topoisomerase	IA	IB	IIA	IIB
Dependencia de metais	Si	Non	Si	Si
Dependencia do ATP	Non	Non	Si	Si
Corte dunha febra do ADN ou de dúas?	unha	unha	dúas	dúas
Polaridade do corte	5'	3'	5'	5'
Cambio no número L	±1	±N	±2	±2

Tanto as topoisomeraes de tipo I coma as de tipo II cambian o número L (número de enlace ou linking number) do ADN. As de tipo IA cámbiano nunha unidade, as de tipo IB e IC poden cambialo nun enteiro calquera, e as de tipo IIA e IIB cambian este número en dúas unidades.

Notas

1. Champoux JJ (2001). "DNA topoisomerases: structure, function, and mechanism". Annu. Rev. Biochem. 70: 369–413. PMID 11395412. doi:10.1146/annurev.biochem.70.1.369. 
2. "National Academy of Sciences: NAS Award in Molecular Biology". National Academy of Science. Consultado o 2016-03-16. 
3. C.Michael Hogan. 2010. Deoxyribonucleic acid. Encyclopedia of Earth. National Council for Science and the Environment. eds. S.Draggan and C.Cleveland. Washington DC
4. Paolini, M; Sapone, A; Valgimigli, L (2003). "Avoidance of bioflavonoid supplements during pregnancy: a pathway to infant leukemia?". Mutation research 527 (1–2): 99–101. doi:10.1016/S0027-5107(03)00057-5. PMID 12787918.
5. Wang JC (1991). "DNA topoisomerases: why so many?". J. Biol. Chem. 266 (11): 6659–62. PMID 1849888. Arquivado dende o orixinal o 18 de setembro de 2019. Consultado o 03 de outubro de 2013. 

Véxase tamén

Outros artigos

• Topoloxía do ADN
• Superenrolamento

Bibliografía

• James C. Wang (2009) Untangling the Double Helix. DNA Entanglement and the Action of the DNA Topoisomerases, Cold Spring Harbor Laboratory Press, Cold Spring Harbor, NY, 2009. 245 pp. ISBN 978-0-87969-879-9
• Pommier, Yves (May 28, 2010). "DNA topoisomerases and their poisoning by anticancer and antibacterial drugs". Chemistry & Biology. Consultado o May 28, 2010. 
• Gellert, M. 1981. DNA topoisomerases. Annu. Rev. Biochem. 50:879-910.
• Wang, J. C. 1982. DNA topoisomerases. Sci. Am. (xullo) 247:94-108.
• Watson, J. D., et al. 2006. Biología Molecular del Gen 5ª ed. Editorial Médica Panamericana. ISBN 84-7903-505-6

Ligazóns externas

• MeshName DNA+Topoisomerases