Топоизомераза

Топоизомераза — это фермент класса изомераз, который катализирует изменение топологического состояния молекул ДНК, регулируя степень их сверхспирализации (суперскручивания). Топоизомеразы играют ключевую роль в процессах репликации, транскрипции, рекомбинации и репарации ДНК, обеспечивая снятие напряжений в двойной спирали, возникающих при её расплетении. Впервые топоизомеразная активность была описана в 1971 году американским биохимиком Джеймсом Вангом, который выделил фермент из клеток кишечной палочки (Escherichia coli).

Классификация топоизомераз

Топоизомеразы делятся на два основных типа в зависимости от механизма действия и числа разрываемых цепей ДНК.

Топоизомеразы I типа

Ферменты этого типа разрывают одну цепь двойной спирали ДНК, после чего пропускают через разрыв вторую (неповреждённую) цепь и затем лигируют разорванную цепь. Этот процесс не требует затрат энергии в виде АТФ, так как энергия фосфодиэфирной связи сохраняется в промежуточном ковалентном комплексе фермента с ДНК. Топоизомеразы I типа делятся на подтипы IA и IB, различающиеся структурой активного центра и механизмом реакции. В эукариотических клетках основным представителем является топоизомераза I, которая снимает положительные и отрицательные сверхвитки, что необходимо, например, для транскрипции.

Топоизомеразы II типа

Эти ферменты разрывают обе цепи ДНК одновременно, пропускают через разрыв другой участок двойной спирали и затем восстанавливают целостность. Реакция требует гидролиза АТФ, что позволяет совершать работу против термодинамического градиента. Топоизомеразы II типа также подразделяются на подтипы IIA и IIB. К подтипу IIA относятся бактериальная ДНК-гираза и эукариотическая топоизомераза II. ДНК-гираза способна вводить отрицательные сверхвитки, что важно для компактизации бактериальной ДНК. Топоизомераза II эукариот участвует в разделении сестринских хроматид в митозе.

Механизм действия

Общий принцип работы топоизомераз заключается в создании временного разрыва в сахарофосфатном остове ДНК. Фермент образует ковалентную связь с одним из концов разрыва через остаток тирозина в активном центре, что предотвращает неконтролируемое расхождение цепей. После изменения топологии (например, снятия сверхвитка или раскручивания узла) разрыв лигируется, и фермент диссоциирует. Для топоизомераз II типа характерно образование «входных» и «выходных» ворот, через которые проходит участок ДНК.

Функции в клетке

Топоизомеразы выполняют несколько критически важных функций:

• Снятие сверхспирализации: в процессе репликации ДНК-полимераза движется по спирали, вызывая её перекручивание впереди репликационной вилки. Топоизомеразы (в первую очередь I типа) снимают это напряжение, предотвращая разрывы ДНК.
• Участие в репликации: топоизомераза II (в эукариотах — топоизомераза IIα) участвует в разделении дочерних хромосом после завершения репликации, устраняя катенаны — сцепленные кольца ДНК.
• Транскрипция: топоизомераза I необходима для снятия сверхвитков, возникающих при движении РНК-полимеразы по матрице.
• Репарация и рекомбинация: топоизомеразы могут участвовать в процессах гомологичной рекомбинации и репарации двуцепочечных разрывов, хотя их роль здесь менее изучена.

Топоизомеразы как мишени лекарственных средств

Топоизомеразы являются важными мишенями для ряда противоопухолевых и антибактериальных препаратов. Ингибиторы топоизомераз нарушают процесс лигирования разрывов, превращая фермент в клеточный токсин, вызывающий накопление двуцепочечных разрывов ДНК и гибель клетки.

Ингибиторы топоизомеразы I

К ним относятся производные камптотецина — иринотекан и топотекан, используемые в химиотерапии колоректального рака, рака лёгкого и яичников. Эти препараты стабилизируют ковалентный комплекс топоизомеразы I с ДНК, предотвращая лигирование.

Ингибиторы топоизомеразы II

Антрациклины (доксорубицин, даунорубицин) и подофиллотоксины (этопозид, тенипозид) действуют на топоизомеразу II. Они широко применяются в лечении лейкозов, лимфом и солидных опухолей. Доксорубицин является одним из наиболее эффективных противоопухолевых препаратов, но его применение ограничено кардиотоксичностью.

Антибактериальные препараты

Бактериальные топоизомеразы (ДНК-гираза и топоизомераза IV) являются мишенями для фторхинолонов — класса антибиотиков, к которым относятся ципрофлоксацин, левофлоксацин и моксифлоксацин. Фторхинолоны ингибируют активность гиразы, что приводит к остановке репликации бактериальной ДНК. Широкое применение этих препаратов привело к росту резистентности, связанной с мутациями в генах топоизомераз.

Топоизомеразы у прокариот и эукариот

У прокариот основными топоизомеразами являются ДНК-гираза (топоизомераза II типа) и топоизомераза I. ДНК-гираза уникальна тем, что способна вводить отрицательные сверхвитки, используя энергию АТФ. У эукариот спектр топоизомераз шире: помимо топоизомераз I и II, существуют митохондриальные топоизомеразы, а также топоизомераза III, участвующая в рекомбинации. У человека выделяют два изофермента топоизомеразы II: α (активен в пролиферирующих клетках) и β (экспрессируется в покоящихся клетках).

Интересные факты

• Топоизомеразы являются одними из самых консервативных ферментов: гомологи топоизомеразы I обнаружены у всех доменов живых организмов, от бактерий до человека.
• В 2009 году Нобелевская премия по химии была присуждена Венкатраману Рамакришнану, Томасу Стейцу и Аде Йонат за исследования структуры и функции рибосомы, однако в смежных областях работы по топоизомеразам также неоднократно отмечались — например, открытие ДНК-гиразы Мартином Геллертом в 1976 году.
• В клетках человека топоизомераза I участвует в репликации вируса гепатита B, что делает её потенциальной мишенью для противовирусной терапии.
• Некоторые бактерии, например Mycobacterium tuberculosis, обладают особыми топоизомеразами, что позволяет разрабатывать селективные ингибиторы для лечения туберкулёза.

Источники

• Wang J. C. (1971). Interaction between DNA and an Escherichia coli protein ω. Journal of Molecular Biology.
• Champoux J. J. (2001). DNA topoisomerases: structure, function, and mechanism. Annual Review of Biochemistry.
• Pommier Y. (2006). Topoisomerase I inhibitors: camptothecins and beyond. Nature Reviews Cancer.
• Drlica K., Zhao X. (1997). DNA gyrase, topoisomerase IV, and the 4-quinolones. Microbiology and Molecular Biology Reviews.
• Никифоров А. А., Кузнецов В. В. (2015). Топоизомеразы: структура, функции и медицинское значение. Успехи биологической химии.