Кіріспе

ДНК топоизомеразалары (немесе топоизомеразалар) – ДНК-ның топологиялық күйіндегі өзгерістерді катализдейтін, босаңсыған және суперспиральдік пішіндерді, байланысқан (катенацияланған) және байланыспаған түрлерді, түйілген және түйілмеген ДНК-ны бір-біріне айналдыратын ферменттер. ДНК-ның топологиялық мәселелері оның қос спиральді құрылымының өзара байланысқан сипатынан туындайды, мысалы, ДНК репликациясы және транскрипциясы кезінде ДНК дуплексінің шамадан тыс бұрылуына алып келуі мүмкін. Егер бұл бұрылыс түзетілмесе, бұл процестерге қатысқан ДНК немесе РНК полимеразалар ДНК спиралі бойымен қозғала алмай қалады. Екінші топологиялық қиындық – репликация кезінде ДНК-ның байланысуы немесе түйілуі. Егер бұл мәселе шешілмесе, репликацияланған ДНК-ның арасындағы байланыстар жасушаның бөлінуіне кедергі келтіреді. ДНК топоизомеразалары осы типтегі топологиялық проблемаларды алдын алады және түзетуге көмектеседі. Олар ДНК-ға байланысып, ДНК-ның біреуінің (I типтегі топоизомеразалардың) немесе екеуінің де (II типтегі топоизомеразалардың) қант-фосфат тізбегін кесу арқылы осыны іске асырады. Бұл уақытша үзіліс ДНК-ның түйілуін немесе босаңсуын қамтамасыз етеді, ал осы процестердің соңында ДНК тізбегі қайта біріктіріледі. ДНК-ның жалпы химиялық құрамы мен байланысы өзгермегендіктен, ДНК субстраты мен өнімі тек топологиясымен ғана ерекшеленетін химиялық изомерлер болып табылады.

Ашылу

Алғашқы ДНК топоизомеразасы 1971 жылы Джеймс С. Ванг бактерияларда ашты және бастапқыда ω (омега) ақуызы деп аталды; қазір ол Escherichia coli (E. coli) топоизомераза I (topo I) деп аталады және IA типті ферменттер отбасының өкілі болып табылады. Кейін Джеймс Шампу және Ренато Дульбеко еукариоттық жасушаларда (егежейлі бауырда) ұқсас белсенділікті тапты; жауапты фермент, еукариоттық топо I, ерекше механизмге ие және IB типті отбасының өкілі. ІІ типтегі топоизомеразаның алғашқы түрі 1976 жылы Мартин Геллерт және оның әріптестері бактериялардан ДНҚ гиразасын тапты, ал Николас Коцарелли және оның әріптестері оны сипаттады. ДНҚ гиразасы ДНҚ-ға теріс суперспиральдерді енгізуді катализдейді және мұны жасайтын жалғыз ІІ типті фермент болып табылады, ал қалғандары ДНҚ-ның босаңсуын катализдейді. ІІ типті ферменттер механизмдік тұрғыдан І типті ферменттерден өзгеше, себебі олар АТФ-қа тәуелді және бір емес, екі ДНК тізбегін уақытша үзеді. Кейіннен бактериялық вирустар мен эукариоттардан ІІ типті топоизомеразалар анықталды. Топо-ЕК кодтары келесідей: АТФ тәуелсіз (I тип), ЕК 5.6.2.1; АТФ тәуелді (II тип): ЕК 5.6.2.2. I типті топоизомеразалардың арасындағы ерекшелік – кері гираза, ол геликаза доменін (EC 3.6.4.12) қамтиды және АТФ тәуелді түрде оң суперспиральдерді енгізеді. Сондықтан ол EC 5.6.2.2 (кесте 1) ретінде жіктелетін жалғыз I типті топоизомераза.

ДНК топологиясы

ДНҚ-ның қос спиральді құрылымы екі полинуклеотидтік тізбектің бір-біріне өрілуін қамтиды, бұл топологиялық проблемаларға әкелуі мүмкін. ДНҚ топологиясы – екі ДНҚ тізбегінің қиылысуы, ол қос спиральдің бұрылысын өзгертеді және суперкоилдер, түйіндер және катеналар сияқты ДНҚ-ның үшінші конформациясын тудырады. ДНҚ-ның қос спиральді құрылымымен байланысты ықтимал топологиялық мәселелер оның құрылымы алғаш рет 1953 жылы Джеймс Уотсон, Фрэнсис Крик және Розалинд Франклин анықтағаннан кейін көп ұзамай танылды және Макс Делбрук пен Джон Кернстің жұмысымен одан әрі дамытылды. Жабық дөңгелек қос тізбекті ДНК 3 параметрмен сипатталуы мүмкін: байланысу саны (Lk), бұрылыс (Tw) және өрілу (Wr) (1-сурет). Lk екі тізбектің қанша рет байланысқанын көрсетеді, Tw – ДНК-дағы спиральді бұрылыстардың санын, спиральді оське қатысты өлшенеді, ал Wr – ДНК спиралінің кеңістіктегі жолының өрілуін өлшейді және көбінесе «суперөрілумен» теңестіріледі. 3 параметр келесідей байланысты: Lk = Tw + Wr. Бұл математикалық тепе-теңдік алғаш рет 1959 жылы Кэлугэряну ұсынған және Кэлугэряну немесе Кэлугэряну–Уайт–Фуллер теоремасы деп аталады. Lk спиральдің бір немесе екі тізбегін үзбей өзгертуге болмайды; Tw және Wr өзара айналыса алады және ерітінді жағдайларына байланысты. Суперөрілу – нөлдік емес байланысу айырмашылығы бар ДНК үшін қолданылатын термин, дәлірек айтқанда, нақты байланысу айырмашылығы (σ = ΔLk/Lk0, мұнда Lk0 – босаңсыған ДНК шеңберінің орташа байланысу саны). Егер Lk > Lk0 болса (ΔLk > 0), ДНК оң суперөрілген деп аталады; бұл Tw және/немесе Wr босаңсыған молекулаға қарағанда артқанын білдіреді. Керісінше, егер молекуланың Lk < Lk0 болса (ΔLk < 0), ДНК теріс суперөрілген болады. ДНК-дағы топологиялық өзгерістердің салдары ДНК репликациясы кезінде жақсы көрінеді, онда дуплекстің тізбектері бөлінеді; бұл бөліну репликация шанышқысының алдында оң суперкоилдердің (ДНК-ның шамадан тыс оралуы немесе бұрылуы) пайда болуына және қызыл тізбектердің (прекатенандар) артқы жағынан өрілуіне әкеледі (2-сурет). Егер оң суперкоилдер босатылмаса, репликация шанышқысының прогресіне кедергі келтіріледі, ал қызыл тізбектерді ажыратудың сәтсіздігі геномды бөлуге мүмкіндік бермейді, бұл жасушаның бөлінуі үшін қажет. РНК полимераза арқылы транскрипция да транскрипциялық кешеннің алдында оң суперөрілуді және артқы жағында теріс суперөрілуді тудырады (2-сурет). Бұл әсер 1987 жылы Лерой Лю және Джеймс Ванг сипаттаған екі суперөрілген домен моделі деп аталады. Бұл топологиялық өзгерістер ДНК метаболизмінің жалғасуы үшін шешілуі керек, бұл жасушаға геномды тиімді түрде көбейтуге, транскрипциялауға және бөлуге мүмкіндік береді, соның арқасында жасушалық бөліну мен тіршілік етуге қол жеткізіледі. ДНК түйіндерін бактериофагтарда және рекомбинациялық реакциялардың өнімдері ретінде табуға болады. Сонымен қатар, E. coli геномының ықшамдалуы ішінара теріс суперөрілу арқылы жүзеге асырылады. [[Файл:ДНҚ репликациясы мен транскрипциясының топологиялық салдары.jpg|thumb|286x286px|2-сурет. ДНҚ метаболизмінің топологиялық салдары. i) ДНҚ репликациясы кезінде тізбектердің бөлінуі протеиннің алға жылжуының алдында оң суперөрілуге және артқы жағында прекатенандардың түзілуіне әкеледі. Прекатенандар жаңа синтезделген дуплекстер бірін-біріне оралғанда пайда болады және егер репликация аяқталғанға дейін алынып тасталмаса, тізбектелген ДНК молекулалары пайда болады. ii) Транскрипция кезінде тізбектердің бөлінуі белдік машинасының алға жылжуына оң суперкоилге және артқы жағында теріс суперкоилге әкеледі.]

IA типті

IA типті мономерлік және ДНК-ның бір жіпті сегменттеріне байланысады. Олар ферменттегі тирозин мен ДНК-дағы 5′ фосфат арасында тирозил фосфат байланысының қалыптасуы арқылы уақытша бір жіпті үзілісті тудырады. ДНК-ның үзіліс болатын сегменті "қақпа" немесе G сегменті деп аталады, ал оның айырылуы "көліктік" немесе T сегментінің басқа ДНК сегменті арқылы өтуіне мүмкіндік береді. Бұдан кейін G сегменті қайта байланысады. Топо IA-ның жіптік өтуі үшін ДНК қақпасын ашып, T сегментінің ауысуына рұқсат ету үшін конформациялық өзгеріске ұшырауы қажет. ДНК-ның босаңсу реакциясы кезінде бұл процесс ДНК-ның байланысу санын +/ 1-ге өзгертеді (4-суретті қараңыз). IA типті топоизомеразалардың мысалдары: прокариоттық I және III топоизомеразалары, эукариоттық IIIα және IIIβ топоизомеразалары және архея ферменті – кері гираза. Термофильді археяларда кездесетін кері гираза IA типті топоизомераза мен геликазадан тұрады және ДНК-ға оң суперспираль енгізе алатын жалғыз фермент болып табылады. Сол жақтағы сурет – 4-сурет. IA типті топоизомеразалар үшін жіптік өту механизмі: (1) Топоизомераза G сегментінің бір жіпті ДНК аймағына байланысады, (2) G сегменті айырылады. (3) Топоизомеразаның ДНК қақпасы ашылады, (4) бұл T сегментінің айырылған G жіпі арқылы өтуіне мүмкіндік береді. (5) ДНК қақпасы жабылады, (6) және G жіпі қайта байланысады, байланысу саны 1-ге өзгереді. (7) Топоизомераза тағы бір босаңсу кезеңінен өтеді немесе ДНК-дан ажыратылады. IA типті топоизомеразаның (1-4 домендері) қызғылт түсті, белсенді тирозин сары, ал ДНК сұр түсті.

IB түрі

IB типті топоизомеразалар ферменттегі тирозин мен ДНК-дағы 3′ фосфат арасында тирозил фосфат байланысын қалыптастыру арқылы ДНК-дағы уақытша бір жіпті үзілістерді қамтитын реакцияларды катализдейді. Бұл ферменттер жіп өту механизмін пайдаланбай, үзілген жіптің толық жіптің айналасында "бұрылуы" немесе "бақыланған айналуы" арқылы жұмыс істейді. Бұл бақыланатын айналу механизмі алғаш рет Vaccinia topo I үшін сипатталды және ДНК-ның бос ұшының толық жіптің айналасында айналуына мүмкіндік береді, жылдамдығы фермент қуысы ішіндегі "үкеліс" арқылы реттеледі, ал бұрын жарық байланыспайды (3-суретті қараңыз). Бұл бір үзіліс және қайта бірігу оқиғасы бойынша байланыстыру санының өзгеруіне әкеледі. Бұл механизм IA типті ферменттерден өзгеше, және ферменттердің екі тобы құрылымдық және эволюциялық тұрғыдан байланыссыз. IB типті топоизомеразалардың мысалдарына эукариоттық ядролық және митохондриялық topo I, сондай-ақ вирус тоpos I жатады, бірақ олар тіршілік әлемінің барлық үш доменінде анықталған.

IC типті

IC типті топоизомеразалар IB типті ферменттер сияқты ұқсас механизмді бөліседі, бірақ олардың құрылымы мүлдем басқа. Топо V – жалғыз өкілі, ол гипертермофильді Methanopyrus kandleri-де табылады.

II типті

ІІ типті топоизомеразалар ДНК-ның екі жіпті үзілістері арқылы ДНК топологиясындағы өзгерістерді катализдейді. Реакциялар екі жіпті ДНК субстраттарында жүреді және жіптік өту механизмі арқылы өтеді (сурет 5). Реакциялар қатарына ДНК-ның релаксациясы, ДНК-ның суперкоилдеуі, түйіндік шешу және декатенация кіреді. Барлық ІІ типті топоизомеразалар ДНК-ның релаксациясын катализдей алады, ал гираза, бактериялық топоизомеразаның архетипі, теріс суперкоилдарды енгізе алады. І типті топоизомеразалардың көбінесе мономерлік болғанымен салыстырғанда, ІІ типті топоизомеразалар гомодимерлер немесе гетеротетрамерлер болып табылады. Олар эволюциялық, құрылымдық және механикалық аспектілер бойынша екі түрге жіктеледі. ІІ типті топоизомеразалардың жалпы жіптік өту механизмі ДНК қақпасындағы қақпа сегменті (G сегменті) деп аталатын бір ДНК дуплексінің байланысуымен басталады. Екінші дуплекс, тасымалдау сегменті (T сегменті) деп аталады, АТФ-мен жұмыс істейтін қысқышпен ұсталып, G сегментіндегі уақытша үзіліс арқылы өтеді, бұл екі жіптегі 5′ фосфотирозин байланыстарын қамтиды, содан кейін C қақпасы арқылы босатылып, G сегменті қайта байланысады (сурет 5). Ферменттік айналым АТФ-ты байланыстыруды және гидролиздеуді қажет етеді. |thumb|325x325px|Сурет 5. ІІ типті топоизомеразаның жіптік өту механизмі. (1) G сегменті ДНК қақпасына байланысады және T сегменті ұсталады. (2) АТФ байланысуы N қақпасының димеризациясын ынталандырады, G сегменті кесіледі және T сегменті үзіліс арқылы өтеді. (3) G сегменті қайта байланысады және T сегменті C қақпасы арқылы шығады. ІІB типті топоизомеразаларда C қақпасы болмайды, сондықтан T сегменті G сегменті арқылы өткеннен кейін ферменттен босатылады. (4) АДФ және Pi-нің диссоциациясы N қақпасының ашылуына мүмкіндік береді, бұл фермент G сегментіне байланысты күйде қалады, келесі T сегментін ұстауға дайын, немесе (5) G сегментінен диссоциацияланады.

IIА типті

IIА типті топоизомеразалар ДНК-ның екі тізбекті үзілісін ферменттегі тирозиндер (әрбір суббірлікте біреу) мен 5'-фосфаттар арасында тирозилфосфат байланыстарын түзетін арқылы катализдейді. Тізбек өту реакциясы молекулаішілік немесе молекулааралық болуы мүмкін (сурет 5), осылайша суперспиральдеу және түйіндеуді немесе байланыстыруды өзгертуге мүмкіндік береді. Бұл процесс ДНК-ның байланысу санын +/2-ға өзгертеді. IIА типті топоизомеразалардың мысалдарына эукариоттық topo IIα және topo IIβ, сондай-ақ бактериялық гираза және topo IV жатады. ДНК гиразасы басқа II типті ферменттерге тән қос тізбекті өту механизміне сәйкес келеді, бірақ ДНК-ға теріс суперспиральдерді енгізу қабілетімен байланысты ерекше ерекшеліктері бар. G сегменті ферменттің айналасына оралған (>100 ж.б.) ДНК-ның әлдеқайда ұзын бөлігінің құрамына кіреді, оның бір тармағы екі тізбекті үзіліс арқылы өтетін T сегментін құрайды (сурет 5). Гираза жағдайында АТФ гидролизінен алынатын еркін энергияның көп бөлігі ДНК-дағы бұрылыс кернеуіне айналады, яғни суперспиральдеу энергия қажет болатын процесс. Сонымен қатар, АТФ болмаған жағдайда гираза теріс суперспиральдерді ДНК-ның баяулап толу реакциясында жоя алады.

IIB түрі

IIB түрі сонымен қатар ферменттегі тирозиндер мен ДНК-ның қарама-қарсы тізбектеріндегі 5′ фосфаттар арасында тирозил фосфат байланыстарының қалыптасуы арқылы уақытша қос тізбекті үзілістерді катализдейді, бірақ IIB ферменттерінің жағдайында қос тізбекті үзілістерде 2 негіздік ығыс болады. IIB типті ферменттер маңызды құрылымдық айырмашылықтарды көрсетеді, бірақ эволюциялық жағынан IIA типті ферменттермен байланысты. Бұл айырмашылықтар ақуыздың «қақпаларының» (C қақпасы) бірінің жоқтығынан тұрады (сурет 5). Алғашқыда археяларда табылған, олар эукариоттарда, әсіресе өсімдіктерде де кездеседі; мысалдарына topo VI және topo VIII жатады. Topo VI – бұл осы топтың ең жақсы зерттелген ферменті және басым декатеназа болып саналады.

Есірткі нысанасы ретінде

Мамандар емес адамдар үшін топоизомеразалардың ең маңызды жағы – олардың антибактериялық және қатерлі ісікке қарсы химиотерапия үшін дәрілік нысана ретіндегі рөлі болып табылады; бірнеше топоизомеразаға бағытталған антибактериялық және қатерлі ісікке қарсы препараттар 2019 жылғы Дүниежүзілік денсаулық сақтау ұйымының қажетті медициналық құралдардың үлгілік тізіміне енген. Бұл маңыздылығының себебі – олардың реакциялары ДНК-дағы уақытша үзілістер арқылы жүзеге асырылады, ал егер бұл үзілістер препараттың байланысуымен бекітілсе, геномдық ДНК-дағы уытты бір немесе екі тізбекті үзілістердің пайда болуына байланысты жасуша қазасына әкелуі мүмкін. Көптеген топоизомеразаға бағытталған препараттар осылай әрекет етеді, яғни олар фермент-ДНК ковалентті байланысының аралық кезеңін тұрақтандырады.

Бактерияға қарсы қосылыстар

I типтегі топоизомеразалар, мысалы бактериялық Топо I, антибиотиктерге қарсы тиімді нысана болғанымен, қазіргі уақытта клиникалық қолданыста осы ферменттерді бағыттайтын ешқандай препарат жоқ. Дегенмен, II типтегі ферменттер – ДНҚ гираза және ДНҚ топоизомераза IV, кеңінен қолданылатын фторхинолон антибиотиктері үшін өте табысты нысаналар болып табылады (сурет 6).

Фторхинолондар (FQ)

Квинолон антибактериялық қосылыстары алғаш рет 1960 жылдары жасалды және 1980 жылдан бері клиникалық қолданыста келеді. FQ туындылары, мысалы ципрофлоксацин, левофлоксацин және моксифлоксацин (сурет 6) жоғары нәтижелі болды. Бұл қосылыстар нысанасымен (гираза немесе топо IV) және ДНК-мен бөліну орнында өзара әрекеттесіп, ДНК-ның коваленттік бөліну аралық кезеңін тұрақтандырады. Атап айтқанда, олар ДНК-ға еніп, топоизомераза реакциясының ДНК қайта біріктіру сатысын болдырмайды (сурет 5). Бұл топоизомеразаға бағытталған бірнеше қатерлі ісікке қарсы препараттарда қолданылатын өте тиімді тежеу механизмі. Олардың үлкен жетістіктеріне қарамастан, FQ-ға қарсы тұру – күрделі мәселе. Осыған ұқсас механизммен жұмыс істейді және болашақта олардың кейбіреулері FQ-ны алмастыруы мүмкін деп үміттенеді.

Аминкоумариндер

Аминокумариндер (сурет 6), мысалы, новобиоцин, хлоробиоцин және кумермицин А1 – гираза мен топо IV ферменттерінің АТФаза реакциясын тежейтін Streptomyces бактерияларынан алынған табиғи заттар. Олар, FQ-лар сияқты, ДНҚ үзілу кешенін тұрақтандырады. Бұл ақуыздар антибактериялық препараттар ретінде тиімді болмаса да, олардың әрекет ету механизмі жаңа антибактериялық қосылыстарды жасауға мүмкіндік береді. Гиразаның басқа ақуыз ингибиторлары топоизомеразаның ДНҚ-ға байланысуын бөгеп, үзілу кешендерін тұрақтандырмайды. Оларға YacG және QnrB1, MfpA сияқты пентапептидтік қайталамалы ақуыздар жатады; бұл ақуыз ингибиторлары фторхинолондарға қарсы тұруға да себеп болады. Сурет 6. Бактериялық ДНҚ гиразасы мен топоизомераза IV-тің мақсатындағы антибиотикалық қосылыстардың құрылымдары.

Қатерлі ісікке қарсы қосылыстар

Адамның I және II топоизомеразалары (α және β изоформаларының екеуі де) қатерлі ісікке қарсы химиотерапияда нысанаға алынуы мүмкін (сурет 7). Осы қосылыстардың көпшілігі Фторхинолондарға ұқсас әрекет етеді, яғни ДНК-протеін коваленттік тіліну кешенін тұрақтандырады; осы себепті олар каталитикалық ингибиторлардан өзгеше топоизомераза улары ретінде танымал. Дүниежүзілік денсаулық сақтау ұйымының Көшпелі тізіміне бірнеше адам топоизомераза ингибиторлары енгізілген.

Камптотецин (CPT)

Камптотецин (сурет 7), бастапқыда Camptotheca acuminata ағашынан шығарылған, адамның I топоизомеразасына әсер етеді және топотекан мен иринотекан сияқты туындылары қатерлі ісіктерді емдеудегі химиотерапияда кеңінен қолданылады.

Транскрипциялық реттелудегі топоизомеразаның рөлі

Кем дегенде бір топоизомераза, ДНК топоизомераза II бета (топо IIβ) геннің транскрипциясын реттеуде маңызды рөл атқарады. Топо IIβ-ге тәуелді екі тізгілі ДНК үзілістері және ДНК зақымдануын жөндеу жүйесінің құрауыштар, дереу ерте гендердің жылдам экспрессиясы үшін, сондай-ақ сигналға жауап беретін гендік реттеу үшін қажет. Топо IIβ, басқа байланысты ферменттермен бірге,