TOPOISOMERASES: الخصائص والوظائف والأنواع والمثبطات - مادة الاحياء - 2025

إن إيزوميراز التوبويزوميرات هي إنزيمات أيزوميرات نوع من تعديل طوبولوجيا حمض الديوكسي ريبونوكلييك (DNA) ، وتوليد كل من فكها وفائق الالتواء كتجعيد لها.

تلعب هذه الإنزيمات دورًا محددًا في تخفيف الإجهاد الالتوائي في الحمض النووي بحيث يمكن أن تحدث عمليات مهمة مثل النسخ المتماثل ونسخ الحمض النووي إلى الحمض النووي الريبي (mRNA) وإعادة تركيب الحمض النووي.

الشكل 1. توبوإيزوميراز الثاني. المصدر: Emw، from Wikimedia Commons

توجد إنزيمات Topoisomerase في كل من الخلايا حقيقية النواة والخلايا بدائية النواة. تم توقع وجودها من قبل العلماء واتسون وكريك ، عند تقييم القيود التي قدمها هيكل الحمض النووي للسماح بالوصول إلى معلوماته (المخزنة في تسلسل النيوكليوتيدات).

لفهم وظائف الإيزوميراز العلوي ، يجب أن يؤخذ في الاعتبار أن الحمض النووي يحتوي على بنية حلزونية مزدوجة مستقرة ، حيث تلتف خيوطه واحدة فوق الأخرى.

تتكون هذه السلاسل الخطية من 2-deoxyribose مرتبطة بروابط فوسفوديستر 5'-3 ، وقواعد نيتروجينية بالداخل ، مثل درجات سلم حلزوني.

الشكل 2. جزيء الحمض النووي. المصدر:

أظهرت الدراسة الطوبولوجية لجزيئات الحمض النووي أنها يمكن أن تتحمل تشكيلات مختلفة تعتمد على إجهادها الالتوائي: من حالة الاسترخاء إلى حالات اللف المختلفة التي تسمح بضغطها.

تسمى جزيئات الحمض النووي ذات التركيبات المختلفة الأيزومرات العليا. وبالتالي ، يمكننا أن نستنتج أن التوبويزوميرات الأولى والثانية يمكن أن تزيد أو تقلل من الضغط الالتوائي لجزيئات الحمض النووي ، وتشكيل الأيزومرات التوبويزوميرات المختلفة.

من بين الأيزومرات العلوية المحتملة للحمض النووي ، فإن التشكل الأكثر شيوعًا هو الملف الفائق ، وهو مضغوط جدًا. ومع ذلك ، يجب أيضًا فك اللولب المزدوج للحمض النووي بواسطة الإيزوميراز العلوي أثناء العمليات الجزيئية المختلفة.

مميزات

آلية العمل العامة

يمكن لبعض الإيزوميرات العلوية أن ترخي فقط الفائق السالبة للحمض النووي ، أو كلا الملفين الفائقين للحمض النووي: موجب وسالب.

إذا تم فك الحمض النووي الدائري المزدوج الشريطة على محوره الطولي وحدث انعطاف باليد اليسرى (في اتجاه عقارب الساعة) ، فيقال إنه ملفوف بشكل سلبي للغاية. إذا كان الانعطاف في اتجاه عقارب الساعة (عكس اتجاه عقارب الساعة) ، فإنه يتم لفه بشكل زائد.

الشكل 3. DNA دائري مزدوج الخيط مزدوج الملفوف بشكل سلبي ومرتاح وإيجابي. المصدر: Fdardel، from Wikimedia Commons

في الأساس ، يمكن أن:

-تسهيل مرور حبلا الحمض النووي من خلال قطع في الشريط المقابل (النوع الأول توبويزوميراز).

-تسهيل مرور الحلزون المزدوج الكامل من خلال الانقسام نفسه ، أو من خلال انشقاق في حلزون مزدوج آخر مختلف (النوع الثاني توبويزوميراز).

باختصار ، تعمل الإيزوميرات العليا من خلال انقسام روابط الفوسفوديستر ، في واحد أو في كلا الخيطين اللذين يشكلان الحمض النووي. ثم يقومون بتعديل حالة اللف لخيوط اللولب المزدوج (topoisomerase I) أو حلزون مزدوج (topoisomerase II) ، لربط أو ربط الأطراف المشقوقة مرة أخرى.

توبويزوميراز ودورة الخلية

على الرغم من أن topoisomerase I هو إنزيم يعرض نشاطًا أعلى خلال المرحلة S (تخليق الحمض النووي) ، إلا أنه لا يعتبر معتمدًا على مرحلة من دورة الخلية.

في حين أن نشاط توبويزوميراز II يكون أكثر نشاطًا خلال المرحلة اللوغاريتمية لنمو الخلايا وفي خلايا الأورام سريعة النمو.

المميزات

إن تغيير الجينات التي ترمز إلى الإيزوميراز العلوي مميت للخلايا ، مما يدل على أهمية هذه الإنزيمات. من بين العمليات التي تشارك فيها الإيزوميراز العلوي:

تخزين مضغوط للمواد الجينية

تسهل الإنزيمات Topoisomerases تخزين المعلومات الوراثية بطريقة مضغوطة ، لأنها تولد اللف والفائق للحمض النووي ، مما يسمح بإيجاد كمية كبيرة من المعلومات في حجم صغير نسبيًا.

الوصول إلى المعلومات الجينية

بدون الإيزوميراز العلوي وخصائصها الفريدة ، سيكون الوصول إلى المعلومات المخزنة في الحمض النووي مستحيلًا. ويرجع ذلك إلى حقيقة أن الإيزوميرات العليا تطلق بشكل دوري الضغط الالتوائي الذي يتولد في الحلزون المزدوج للحمض النووي ، أثناء فكه ، في عمليات التكرار والنسخ وإعادة التركيب.

الشكل 4. تكرار الحمض النووي. شاهد topoisomerase في بداية دبوس الشعر DNA. المصدر: LadyofHats ترجمة Miguelsierra ، عبر ويكيميديا ​​كومنز

إذا لم يتم تحرير الإجهاد الالتوائي الناتج أثناء هذه العمليات ، فقد يحدث تعبير جيني معيب ، مما يؤدي إلى انقطاع الحمض النووي أو الكروموسوم الدائري ، وحتى إنتاج موت الخلية.

تنظيم التعبير الجيني

تعرض التغييرات التوافقية (في البنية ثلاثية الأبعاد) لجزيء الحمض النووي مناطق معينة إلى الخارج ، والتي يمكن أن تتفاعل مع بروتينات ربط الحمض النووي. هذه البروتينات لها وظيفة تنظيمية للتعبير الجيني (إيجابي أو سلبي).

الشكل 5. البروتين التنظيمي للتعبير الجيني ، في هذه الحالة يمنع التعبير عن جينات معينة. Zephyris في ويكيبيديا اللغة الإنجليزية

وهكذا ، فإن حالة اللف للحمض النووي ، الناتجة عن عمل الإيزوميراز العلوي ، تؤثر على تنظيم التعبير الجيني.

خصائص توبويزوميراز II

مطلوب Topoisomerase II لتجميع الكروماتيدات ، تكثيف وتفكيك الكروموسومات ، وفصل جزيئات DNA الابنة أثناء الانقسام.

هذا الإنزيم هو أيضًا بروتين هيكلي وأحد المكونات الرئيسية لمصفوفة نواة الخلية أثناء الطور البيني.

أنواع الإيزوميراز العلوي

هناك نوعان رئيسيان من الإيزوميراز العلويان يعتمدان على ما إذا كانت قادرة على شق واحد أو اثنين من خيوط الحمض النووي.

- الإيزوميرات من النوع الأول

أحادي

إن الإيزوميرات من النوع الأول هي مونومرات تخفف من اللفائف الفائقة السلبية والإيجابية ، والتي يتم إنتاجها عن طريق حركة دبوس الشعر أثناء النسخ ، وأثناء عمليات النسخ وإعادة التركيب الجيني.

يمكن تقسيم الإيزوميراز من النوع الأول إلى النوع 1 أ والنوع 1 ب. هذه الأخيرة هي تلك الموجودة في البشر ، وهي مسؤولة عن استرخاء الحمض النووي الفائق الالتفاف.

Tyrosine في موقعها النشط

يتكون Topoisomerase 1B (Top1B) من 765 من الأحماض الأمينية مقسمة إلى 4 مجالات محددة. يحتوي أحد هذه المجالات على منطقة محمية للغاية تحتوي على موقع التيروزين النشط (Tyr7233). تقدم جميع الإيزوميراز العلوي التيروزين في موقعها النشط مع دور أساسي في العملية التحفيزية بأكملها.

آلية العمل

يشكل موقع التيروزين النشط رابطة تساهمية مع نهاية 3-فوسفات من خيط الحمض النووي ، ويقطعها ويمسكها بالأنزيم ، بينما يمر خيط آخر من الحمض النووي عبر الانقسام.

يتم تحقيق مرور شريط الحمض النووي الآخر من خلال الشريط المنفصل بفضل التحول التوافقي للإنزيم ، والذي ينتج عنه فتح الحلزون المزدوج للحمض النووي.

ثم يعود topoisomerase I إلى شكله الأولي ويربط الأطراف المشقوقة مرة أخرى. يحدث هذا من خلال عملية عكسية لانهيار سلسلة الحمض النووي ، في الموقع التحفيزي للإنزيم. أخيرًا ، يطلق توبويزوميراز شريط الحمض النووي.

معدل ربط الحمض النووي أعلى من معدل الاستئصال ، مما يضمن استقرار الجزيء وسلامة الجينوم.

باختصار ، اكتب I topoisomerase محفزات:

1. انقسام الخصلة.
2. مرور الخيط الآخر من خلال الانقسام.
3. نهايات ربط المشقوق.

- النوع الثاني من الإيزوميراز

ديميريك

النوع الثاني من الإيزوميراز العلوي عبارة عن إنزيمات قاتمة ، والتي تشق كل من خيوط الحمض النووي ، وبالتالي تهدئة اللفائف الفائقة التي تتولد أثناء النسخ والعمليات الخلوية الأخرى.

تعتمد على ملغ

تحتاج هذه الإنزيمات إلى المغنيسيوم (Mg ⁺⁺) وتحتاج أيضًا إلى الطاقة التي تأتي من كسر رابطة ثلاثي الفوسفات ATP ، والتي تستفيد منها بفضل ATPase.

موقعان نشطان مع التيروزين

تشبه الإيزوميراز البشري II إلى حد بعيد تلك الموجودة في الخميرة (Saccharomyces cerevisiae) ، والتي تتكون من اثنين من المونومرات (الأجزاء الفرعية A و B). يحتوي كل مونومر على مجال ATPase ، وفي جزء فرعي الموقع النشط tyrosine 782 ، والذي يمكن أن يرتبط به DNA. وبالتالي ، يمكن أن يرتبط خيطين من الحمض النووي بـ topoisomerase II.

آلية العمل

آلية عمل توبويزوميراز II هي نفسها التي تم وصفها لتوبويزوميراز I ، مع الأخذ في الاعتبار أن خيطي DNA منقسمان وليس واحدًا فقط.

في الموقع النشط لتوبويزوميراز II ، يتم تثبيت جزء حلزون مزدوج من الحمض النووي ، يسمى "جزء G" (من خلال الترابط التساهمي مع التيروزين). يتم استئصال هذه القطعة وتثبيتها معًا في الموقع النشط بواسطة الروابط التساهمية.

يسمح الإنزيم بعد ذلك لجزء آخر من الحمض النووي ، يسمى "جزء T" ، بالمرور عبر الجزء المشقوق "G" ، وذلك بفضل التغيير التوافقي للإنزيم ، والذي يعتمد على التحلل المائي لـ ATP.

يربط Topoisomerase II طرفي "الجزء G" ويستعيد أخيرًا حالته الأولية ، ويطلق الجزء "G". ثم يقوم الحمض النووي بتخفيف الضغط الالتوائي ، مما يسمح بحدوث النسخ والنسخ.

- الأيزوميراز البشري

يحتوي الجينوم البشري على خمسة إيزوميراز علوي: top1، top3α، top3β (النوع الأول)؛ و top2α ، top2β (من النوع الثاني). إن أكثر أنواع الإيزوميراز البشري ذات الصلة هي top1 (النوع IB topoisomerase) و 2α (النوع الثاني topoisomerase).

مثبطات توبويزوميراز

- الإيزوميراز كهدف لهجوم كيميائي

نظرًا لأن العمليات المحفزة بواسطة الإيزوميراز العلوي ضرورية لبقاء الخلايا ، فإن هذه الإنزيمات هي هدف جيد للهجوم للتأثير على الخلايا الخبيثة. لهذا السبب ، تعتبر توبويزوميراز مهمة في علاج العديد من الأمراض التي تصيب الإنسان.

تتم حاليًا دراسة الأدوية التي تتفاعل مع الإيزوميراز على نطاق واسع كمواد علاج كيميائي ضد الخلايا السرطانية (في أعضاء مختلفة من الجسم) والكائنات الحية الدقيقة المسببة للأمراض.

- أنواع التثبيط

يمكن للأدوية التي تمنع نشاط توبويزوميراز:

• محصور في الحمض النووي.
• يؤثر على إنزيم توبويزوميراز.
• يقحم في جزيء قريب من الموقع النشط للإنزيم بينما يتم تثبيت مركب DNA-topoisomerase.

استقرار المركب العابر الذي يتكون عن طريق ربط الحمض النووي بتيروزين الموقع التحفيزي للإنزيم ، يمنع ارتباط الأجزاء المشقوقة ، مما قد يؤدي إلى موت الخلية.

- الأدوية المثبطة للتوبويزوميراز

من بين المركبات التي تمنع توبيزوميراز ما يلي.

المضادات الحيوية المضادة للأورام

تستخدم المضادات الحيوية ضد السرطان ، لأنها تمنع نمو الخلايا السرطانية ، وعادة ما تتداخل مع حمضها النووي. غالبًا ما تسمى هذه المضادات الحيوية المضادة للورم (السرطان). يؤثر الأكتينوميسين D ، على سبيل المثال ، على توبويزوميراز II ويستخدم في أورام ويلمز عند الأطفال والساركوما العضلية المخططة.

أنثراسيكلين

تعتبر الأنثراسيكلين من المضادات الحيوية ، وهي واحدة من أكثر الأدوية فعالية في علاج السرطان ولها أوسع طيف. يتم استخدامها لعلاج سرطان الرئة والمبيض والرحم والمعدة والمثانة والثدي وسرطان الدم والأورام اللمفاوية. من المعروف أنه يؤثر على توبويزوميراز II عن طريق الإقحام في الحمض النووي.

كان أول أنثراسيكلين معزول من بكتيريا شعاعية (Streptomyces peucetius) هو daunorubicin. بعد ذلك ، تم تصنيع دوكسوروبيسين في المختبر ، ويستخدم الإيبيروبيسين والإيداروبيسين اليوم أيضًا.

الأنثراكينون

الأنثراكينونات أو الأنثراسينديون هي مركبات مشتقة من الأنثراسين ، على غرار الأنثراسيكلين ، والتي تؤثر على نشاط توبويزوميراز II عن طريق الإقحام في الحمض النووي. يتم استخدامها لسرطان الثدي النقيلي ، وسرطان الغدد الليمفاوية اللاهودجكين (NHL) ، وسرطان الدم.

وجدت هذه الأدوية في أصباغ بعض الحشرات والنباتات (الفرانجولا والسنا والراوند) والأشنات والفطريات. وكذلك في هوليت ، وهو معدن طبيعي. اعتمادًا على جرعتك ، يمكن أن تكون مسببة للسرطان.

من بين هذه المركبات ، لدينا ميتوكسانترون ومثيله ، لوسوكسانترون. هذه تمنع تكاثر الخلايا السرطانية الخبيثة ، والتي ترتبط بالحمض النووي بشكل لا رجعة فيه.

إبيدوفيلوتوكسين

تشكل سموم البودوفيلوتوكسين ، مثل السموم الإيبيدوفيلوتوكسين (VP-16) والتينيبوسيد (VM-26) ، معقدًا مع توبويزوميراز II. يتم استخدامها ضد سرطان الرئة والخصية وسرطان الدم والأورام اللمفاوية وسرطان المبيض وسرطان الثدي والأورام الخبيثة داخل الجمجمة وغيرها. تم عزل Podophyllum notatum و P. peltatum من النباتات.

نظائر Camptothecin

الكامبوثيسين عبارة عن مركبات تمنع توبويزوميراز 1 ، بما في ذلك إرينوتيكان وتوبوتيكان وديفلوموتيكان.

تم استخدام هذه المركبات ضد سرطان القولون والرئة والثدي ، ويتم الحصول عليها بشكل طبيعي من لحاء وأوراق الأنواع الشجرية Camptotheca acuminata من القرنية الصينية والتبت.

تثبيط طبيعي

يمكن أيضًا أن تحدث التغييرات الهيكلية في الإيزوميراز الأول والثاني بشكل طبيعي تمامًا. يمكن أن يحدث هذا أثناء بعض الأحداث التي تؤثر على عملية التحفيز.

تشمل هذه التعديلات تكوين ثنائيات بيريميدين ، وعدم تطابق قاعدة النيتروجين ، والأحداث الأخرى الناجمة عن الإجهاد التأكسدي.

المراجع

1. أندرسون ، هـ ، وروبيرج م. (1992). DNA topoisomerase II: مراجعة لتورطها في بنية الكروموسوم وتكرار الحمض النووي والنسخ والانقسام. التقارير الدولية لبيولوجيا الخلية ، 16 (8): 717-724. دوى: 10.1016 / s0309-1651 (05) 80016-5
2. شهاتريوالا ، هـ. ، جفري ، إن ، وسالجيا ، ر. (2006). مراجعة لتثبيط توبويزوميراز في سرطان الرئة. بيولوجيا وعلاج السرطان ، 5 (12): 1600-1607. دوى: 10.4161 / cbt.5.12.3546
3. Ho، Y.-P.، Au-Yeung، SCF، & To، KKW (2003). عوامل مضادة للسرطان من البلاتين: استراتيجيات تصميم مبتكرة ووجهات نظر بيولوجية. مراجعات البحوث الطبية ، 23 (5): 633-655. دوى: 10.1002 / ميد.10038
4. Li ، T.-K. ، & Liu ، LF (2001). موت الخلايا السرطانية الناجم عن أدوية استهداف توبويزوميراز. المجلة السنوية لعلم الأدوية والسموم ، 41 (1): 53-77. دوى: 10.1146 / annurev.pharmtox.41.1.53
5. ليو ، LF (1994). توبويزوميراز الحمض النووي: أدوية استهداف توبويزوميراز. الصحافة الأكاديمية. ص 307
6. أوشيروف ، ن. وبيورنستي ، م. (2001). DNA Topoisomerase. الأنزيمات والأدوية. المجلد الثاني. مطبعة هيومانا. ص 329.
7. روتنبرغ ، ML (1997). مثبطات Topoisomerase I: مراجعة وتحديث. حوليات علم الأورام ، 8 (9) ، 837-855. دوى: 10.1023 / أ: 1008270717294
8. ريان ب. (2009 ، 14 ديسمبر). توبويزوميراز 1 و 2.. تعافى من youtube.com