TOPOISOMERASE: KARAKTERISTIK, FUNGSI, JENIS DAN INHIBITOR - BIOLOGI - 2025

The topoisomerase adalah enzim Isomerase jenis memodifikasi topologi asam deoksiribonukleat (DNA), menghasilkan baik unwinding dan supercoil sebagai keriting nya.

Enzim ini memiliki peran khusus dalam meredakan tekanan torsi pada DNA sehingga proses penting seperti replikasi, transkripsi DNA menjadi messenger ribonucleic acid (mRNA), dan rekombinasi DNA dapat terjadi.

Gambar 1. Topoisomerase II. Sumber: Emw, dari Wikimedia Commons

Enzim topoisomerase hadir di sel eukariotik dan prokariotik. Keberadaannya telah diprediksi oleh ilmuwan Watson dan Crick, ketika mengevaluasi batasan yang disajikan struktur DNA untuk memungkinkan akses ke informasinya (disimpan dalam urutan nukleotida).

Untuk memahami fungsi topoisomerase, harus diperhatikan bahwa DNA memiliki struktur heliks ganda yang stabil, dengan untaian-untaiannya saling melilit.

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 puntirnya: dari keadaan rileks ke keadaan melingkar berbeda yang memungkinkan pemadatannya.

Molekul DNA dengan konformasi berbeda disebut topoisomer. Jadi, kita dapat menyimpulkan bahwa topoisomerase I dan II dapat meningkatkan atau menurunkan tegangan torsi molekul DNA, membentuk topoisomer yang berbeda.

Di antara kemungkinan topoisomer DNA, konformasi yang paling umum adalah supercoil, yang sangat kompak. Namun, heliks ganda DNA juga harus dilepaskan oleh topoisomerase selama berbagai proses molekuler.

karakteristik

Mekanisme aksi umum

Beberapa topoisomerase hanya dapat mengendurkan superkoil negatif DNA, atau kedua superkoil DNA: positif dan negatif.

Jika DNA untai ganda melingkar tidak digulung pada sumbu longitudinalnya dan terjadi belokan ke kiri (searah jarum jam), DNA tersebut dikatakan superkoil negatif. Jika belokan searah jarum jam (berlawanan arah jarum jam), itu secara positif overcoiled.

Gambar 3. DNA untai ganda melingkar superkoil negatif, relaks, dan melingkar superkoil positif. Sumber: Fdardel, dari Wikimedia Commons

Pada dasarnya, topoisomerase dapat:

-Memfasilitasi jalannya untai DNA melalui potongan pada untai yang berlawanan (topoisomerase tipe I).

-Memfasilitasi lewatnya heliks ganda lengkap melalui belahan itu sendiri, atau melalui belahan di heliks ganda lain yang berbeda (topoisomerase tipe II).

Singkatnya, topoisomerase bekerja melalui pemutusan ikatan fosfodiester, dalam satu atau kedua untai yang menyusun DNA. Mereka kemudian memodifikasi keadaan melingkar dari untaian heliks ganda (topoisomerase I) atau dari 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), topoisomerase I tidak dianggap bergantung pada fase siklus sel.

Sedangkan aktivitas topoisomerase II lebih aktif selama fase logaritmik pertumbuhan sel dan 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 kompak materi genetik

Topoisomerase memfasilitasi penyimpanan informasi genetik dengan cara yang kompak, karena mereka menghasilkan gulungan dan supercoiling 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 tegangan torsi 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, melalui Wikimedia Commons

Jika tekanan torsi yang dihasilkan selama proses ini tidak dilepaskan, ekspresi gen yang rusak dapat terjadi, gangguan pada DNA atau kromosom sirkuler, bahkan menyebabkan kematian sel.

Regulasi ekspresi gen

Perubahan konformasi (dalam struktur tiga dimensi) molekul DNA mengekspos daerah tertentu ke luar, yang dapat berinteraksi dengan protein pengikat DNA. Protein ini memiliki fungsi pengaturan ekspresi gen (positif atau negatif).

Gambar 5. Protein regulator ekspresi gen, dalam hal ini mencegah ekspresi gen tertentu. Zephyris di Wikipedia bahasa Inggris

Jadi, keadaan melingkar DNA, yang dihasilkan oleh aksi topoisomerase, mempengaruhi regulasi ekspresi gen.

Kekhususan topoisomerase II

Topoisomerase II diperlukan untuk perakitan kromatid, kondensasi dan dekondensasi kromosom, dan segregasi molekul DNA anak selama mitosis.

Enzim ini juga merupakan protein struktural dan salah satu penyusun utama matriks inti sel selama interfase.

Jenis topoisomerase

Ada dua jenis topoisomerase tergantung pada apakah mereka mampu membelah satu atau dua untai DNA.

-Topoisomerase tipe I

Monomerik

Topoisomerase tipe I adalah monomer yang menghilangkan 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 mereka 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 lestari yang berisi situs aktif tirosin (Tyr7233). Semua topoisomerase menghadirkan tirosin di situs aktifnya 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 lainnya melewati pembelahan.

Bagian untai DNA lain melalui untai yang dibelah dicapai berkat transformasi konformasi enzim, yang menghasilkan pembukaan heliks ganda DNA.

Kemudian topoisomerase I kembali ke konformasi awal dan mengikat ujung yang dibelah lagi. Hal ini terjadi melalui proses yang berlawanan dengan pemecahan rantai DNA, di tempat katalitik enzim. Akhirnya, topoisomerase melepaskan untai DNA.

Laju ligasi DNA lebih tinggi daripada laju eksisi, dengan demikian memastikan stabilitas molekul dan integritas genom.

Singkatnya, topoisomerase tipe I mengkatalisis:

1. Pembelahan untai.
2. Bagian dari untai lainnya melalui belahan dada.
3. Ligasi ujung yang dibelah.

-Tipe II topoisomerase

Dimerik

Topoisomerase tipe II adalah enzim dimer, yang membelah kedua untai DNA, sehingga melemaskan superkoil yang dihasilkan selama transkripsi dan proses seluler lainnya.

Mg tergantung

Enzim-enzim ini membutuhkan magnesium (Mg ⁺⁺ ) dan juga membutuhkan energi yang berasal dari pemutusan ikatan ATP trifosfat, 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, yang dapat diikat oleh DNA. Jadi, dua untai DNA dapat berikatan dengan topoisomerase II.

Mekanisme aksi

Mekanisme kerja topoisomerase II sama dengan yang dijelaskan untuk topoisomerase I, mengingat dua untai DNA terbelah dan bukan hanya satu.

Di situs aktif topoisomerase II, fragmen heliks ganda DNA, 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", melewati fragmen "G" yang dibelah, 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 melemaskan tekanan torsi, memungkinkan replikasi dan transkripsi terjadi.

-Topoisomerase manusia

Genom manusia memiliki lima topoisomerase: top1, top3α, top3β (tipe I); dan top2α, top2β (dari tipe II). Topoisomerase manusia yang paling relevan adalah top1 (topoisomerase tipe IB) dan 2α (topoisomerase tipe II).

Penghambat topoisomerase

-Topoisomerase sebagai target serangan kimia

Karena proses yang dikatalisasi oleh topoisomerase diperlukan untuk kelangsungan hidup sel, enzim ini merupakan target serangan yang baik untuk mempengaruhi sel ganas. Untuk alasan ini, topoisomerase dianggap penting dalam pengobatan banyak penyakit manusia.

Obat yang berinteraksi dengan topoisomerase saat ini banyak dipelajari sebagai zat kemoterapi melawan sel kanker (di berbagai organ tubuh) dan mikroorganisme patogen.

-Jenis penghambatan

Obat yang menghambat aktivitas topoisomerase dapat:

• Terjepit dalam DNA.
• Mempengaruhi enzim topoisomerase.
• Selingi dalam molekul yang dekat dengan situs aktif enzim sementara kompleks DNA-topoisomerase distabilkan.

Stabilisasi kompleks sementara yang dibentuk oleh pengikatan DNA ke tirosin dari situs katalitik enzim, mencegah pengikatan fragmen yang dibelah, yang dapat menyebabkan kematian sel.

-Obat penghambat topoisomerase

Di antara 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.

Anthracyclines

Antrasiklin adalah salah satu antibiotik, salah satu obat antikanker paling efektif dan dengan spektrum terluas. Mereka digunakan untuk mengobati kanker paru-paru, ovarium, rahim, perut, kandung kemih, payudara, leukemia, dan limfoma. Diketahui untuk mempengaruhi topoisomerase II dengan interkalasi dalam DNA.

Antrasiklin pertama yang diisolasi dari aktinobakteri (Streptomyces peucetius) adalah daunorubisin. Selanjutnya doksorubisin disintesis di laboratorium, dan epirubisin dan idarubisin juga digunakan saat ini.

Antrakuinon

Antrakuinon atau anthracenedion adalah senyawa yang berasal dari antrasen, 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-obatan ini ditemukan pada pigmen beberapa serangga, tumbuhan (frangula, senna, rhubarb), lumut dan jamur; serta hoelite, yang merupakan mineral alami. Bergantung 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 permanen.

Epidofilotoksin

Podofilotoksin, seperti epidofilotoksin (VP-16) dan teniposida (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

Campothecin merupakan senyawa yang menghambat topoisomerase I, antara lain 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 kornea Cina dan Tibet.

Penghambatan alami

Perubahan struktural topoisomerase I dan II juga dapat terjadi sepenuhnya 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

1. 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
2. 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
3. Ho, Y.-P., Au-Yeung, SCF, & To, KKW (2003). Agen antikanker berbasis platinum: Strategi desain inovatif dan perspektif biologis. Ulasan Penelitian Obat-obatan, 23 (5): 633–655. doi: 10.1002 / med.10038
4. Li, T.-K., & Liu, LF (2001). Kematian sel tumor yang disebabkan oleh obat-obatan yang menargetkan topoisomerase. Review Tahunan Farmakologi dan Toksikologi, 41 (1): 53-77. doi: 10.1146 / annurev.pharmtox.41.1.53
5. Liu, LF (1994). DNA Topoisomerase: Obat Penargetan Topoisomerase. Pers Akademik. hlm 307
6. Osheroff, N. dan Bjornsti, M. (2001). DNA Topoisomerase. Enzimologi dan Obat-obatan. Jilid II. Humana Press. hlm 329.
7. Rothenberg, ML (1997). Penghambat topoisomerase I: Tinjau dan perbarui. Annals of Oncology, 8 (9), 837–855. doi: 10.1023 / a: 1008270717294
8. Ryan B. (2009, 14 Desember). Topoisomerase 1 dan 2 .. Dipulihkan dari youtube.com