En biología molecular , las topoisomerasas de tipo I son enzimas que cortan una de las dos hebras de ADN de doble hebra, relajan la hebra y vuelven a recocer la hebra. Además, se subdividen en dos topoisomerasas estructural y mecánicamente distintas: tipo IA y tipo IB.
- Las topoisomerasas de tipo IA cambian el número de enlace de una cadena de ADN circular en unidades de estrictamente 1.
- Las topoisomerasas de tipo IB cambian el número de enlace en múltiplos de 1 (n).
ADN topoisomerasa I, N-terminal (no catalítico), viral | ||||||||
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![]() Dominio amino terminal 9kda del ADN topoisomerasa i residuos 1-77, densidad de electrones experimental para los residuos 1-77 | ||||||||
Identificadores | ||||||||
Símbolo | VirDNA-topo-I_N | |||||||
Pfam | PF09266 | |||||||
InterPro | IPR015346 | |||||||
SCOP2 | 1vcc / SCOPe / SUPFAM | |||||||
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Históricamente, las topoisomerasas de tipo IA se denominan topo I procariotas, mientras que las topoisomerasas de tipo IB se denominan topoisomerasas eucariotas. Sin embargo, esta distinción ya no se aplica ya que las topoisomerasas de tipo IA y tipo IB existen en todos los dominios de la vida.
Funcionalmente, estas subclases realizan funciones muy especializadas. La topoisomerasa I procariota (topo IA) solo puede relajar el ADN superenrollado negativo, mientras que la topoisomerasa I eucariota (topo IB) puede introducir superenrollamientos positivos, separando el ADN de los cromosomas hijos después de la replicación del ADN y relajar el ADN.
Función
Estas enzimas tienen varias funciones: eliminar superenrollamientos de ADN durante la transcripción y la replicación del ADN ; para la rotura de la hebra durante la recombinación ; para la condensación de cromosomas ; y desenredar el ADN entrelazado durante la mitosis . [1] [2]
Estructura
Este dominio asume un pliegue beta (2) -alpha-beta-alfa-beta (2), con un cruce a la izquierda entre las cadenas beta2 y beta3. Tiene cuatro hebras beta entrecruzadas rodeadas por cuatro hélices alfa que están dispuestas en un pliegue de Rossmann [3]
Mecanismos
Las topoisomerasas de tipo I son enzimas independientes de ATP (excepto la girasa inversa ) y se pueden subdividir según su estructura y mecanismos de reacción: tipo IA (topoisomerasa I bacteriana y arqueal, topoisomerasa III y girasa inversa) y tipo IB (topoisomerasa eucariota I y topoisomerasa V). Estas enzimas son las principales responsables de relajar positiva y / o negativamente el ADN superenrollado, a excepción de la girasa inversa, que puede introducir superenrollamientos positivos en el ADN.
Las ADN topoisomerasas regulan el número de enlaces topológicos entre dos hebras de ADN (es decir, cambian el número de vueltas superhelicales) catalizando roturas transitorias de una o dos hebras, cruzando las hebras entre sí y volviendo a sellar las roturas. [4]
Clases
Las ADN topoisomerasas se dividen en dos clases: las enzimas tipo I ( EC ; topoisomerasas I, III y V) rompen el ADN monocatenario y las enzimas tipo II ( EC ; topoisomerasas II, IV y VI) rompen el ADN bicatenario. [5]
Topoisomerasas tipo IA
![](http://wikiimg.tojsiabtv.com/wikipedia/commons/thumb/2/29/TopoI.png/400px-TopoI.png)
Introducción
Las topoisomerasas de tipo IA, que históricamente se dice que se encuentran en procariotas, crean una sola ruptura en el ADN y pasan una segunda hebra o dúplex a través de la ruptura. Este mecanismo de paso de la hebra comparte varias características con las topoisomerasas de tipo IIA. Ambos forman un intermedio de fosfotirosina 5 'y requieren un ion metálico divalente para realizar su trabajo. A diferencia de las topoisomerasas de tipo II , las topoisomerasas de tipo IA no utilizan energía para realizar su trabajo (con la notable excepción de la girasa inversa, ver más abajo).
Estructura
Las topoisomerasas de tipo IA tienen varios dominios, a menudo dominios numéricos 1-4. El dominio I contiene un dominio Toprim (un pliegue de Rossman conocido por coordinar los iones de magnesio), el dominio IV y el dominio III constan cada uno de un dominio hélice-vuelta-hélice (HTH); la tirosina catalítica reside en el HTH del dominio III. El dominio II es un puente flexible entre los dominios III y IV. La estructura de la topoisomerasa tipo IA se asemeja a un candado, con los Dominios I, III y IV en la parte inferior de la estructura. [6] La estructura de la topo III (ver más abajo) unida al ADN monocatenario [7] (pdb id = 1I7D) muestra cómo el dominio HTH y Toprim se coordinan con el ADN.
Variantes de topoisomerasa tipo IA
Hay varias variantes de las topoisomerasas de tipo IA, que se diferencian por los apéndices unidos al núcleo principal (a veces denominados "pliegue topográfico"). Los miembros de esta subclase incluyen topo I, topo III (que contienen motivos de unión de zinc adicionales) y girasa inversa. La girasa inversa es particularmente interesante porque se adjunta un dominio ATPasa, que se asemeja al dominio similar a la helicasa del factor de transcripción Rho (la estructura de la girasa inversa fue resuelta por Rodríguez y Stock, EMBO J 2002). La enzima utiliza la hidrólisis de ATP para introducir superenrollamientos positivos y sobreenrolla el ADN, una característica atractiva en los hipertermófilos, en los que se sabe que existe girasa inversa. Rodríguez y Stock han trabajado más para identificar un "pestillo" que está involucrado en la comunicación de la hidrólisis de ATP a la introducción de superenrollamientos positivos.
La variante topo III también es muy interesante porque tiene motivos de unión a zinc que se cree que se unen al ADN monocatenario. Se ha identificado que Topo III está asociado con la helicasa BLM (para el síndrome de Bloom) durante la recombinación.
Mecanismo
Las topoisomerasas de tipo IA operan a través de un mecanismo de paso de cadena, utilizando una sola puerta (en contraste con las topoisomerasas de tipo II). Primero, el ADN monocatenario se une a los dominios III e I. La tirosina catalítica escinde el esqueleto del ADN, creando un intermedio de fosfotirosina 5 'transitorio. A continuación, se separa la ruptura, utilizando el dominio II como bisagra, y se pasa un segundo dúplex o hebra de ADN. El dominio III y I se cierran y el ADN se vuelve a templar.
Topoisomerasas tipo IB
![](http://wikiimg.tojsiabtv.com/wikipedia/commons/thumb/1/1e/1a36_topoisomerase-IB-active-site.png/220px-1a36_topoisomerase-IB-active-site.png)
Introducción
A diferencia de las topoisomerasas de tipo IA, la topoisomerasa de tipo 1B resuelve el problema del ADN sobreenrollado y subbobinado (también denominado superenrollado positiva o negativamente) mediante un mecanismo rotatorio impedido. Las estructuras cristalinas, la bioquímica y los experimentos de moléculas individuales han contribuido a un mecanismo general. La enzima envuelve primero el ADN y crea un intermedio de fosfotirosina 3 'único. El extremo 5 'queda libre para girar, retorciéndolo alrededor de la otra hebra, para relajar el ADN hasta que la topoisomerasa vuelva a ligar las hebras rotas.
Estructura
Se ha resuelto la estructura de la topo IB unida al ADN (pdb id = 1A36). Topo IB se compone de un NTD, un lóbulo de protección, un lóbulo catalítico y un dominio C-terminal. El lóbulo de recubrimiento y el lóbulo catalítico envuelven el ADN.
Mecanismo
La relajación no es un proceso activo y la energía (en forma de ATP ) no se gasta durante los pasos de corte o ligadura; esto se debe a que la reacción entre el residuo de tirosina en el sitio activo de la enzima con el esqueleto del ADN del fosfodiéster simplemente reemplaza un enlace fosfomonoéster por otro. La topoisomerasa tampoco usa ATP durante el desenrollamiento del ADN; más bien, el par de torsión presente en el ADN impulsa el desenrollamiento y avanza en promedio enérgicamente cuesta abajo. Los experimentos recientes de una sola molécula han confirmado lo que los experimentos de relajación de plásmidos en masa han propuesto anteriormente, que es que el desenrollamiento del ADN se impulsa por torque y continúa hasta que ocurre la religación. Ningún dato sugiere que Topo IB "controle" el giro en la medida en que tenga un mecanismo que desencadene la religación después de que se elimine un número específico de superenrollamientos. Por el contrario, los experimentos de una sola molécula sugieren que la religación es un proceso aleatorio y tiene alguna probabilidad de ocurrir cada vez que el extremo giratorio 5'-OH se acerca al sitio de unión del extremo 3 'ligado a la enzima.
Las topoisomerasas de tipo IB se identificaron originalmente en eucariotas y en virus. La topo I viral es única porque se une al ADN de una manera específica de secuencia.
Consulte el artículo TOP1 para obtener más detalles sobre esta topoisomerasa tipo 1B bien estudiada.
Topoisomerasas tipo IC
Se identificó un tercer tipo de topoisomerasa I, topo V, en la arqueona Methanopyrus kandleri . Topo V es el miembro fundador, y hasta ahora el único miembro, de la topoisomerasa tipo IC, aunque algunos autores sugieren que puede tener un origen viral. [8] Se resolvió la estructura cristalina de topo V. [9] Las topoisomerasas de tipo IC funcionan a través de un mecanismo rotatorio controlado, muy parecido a las topoisomerasas de tipo IB [10] (pdb ID = 2CSB y 2CSD ), pero el pliegue es único.
Intermedios
Todas las topoisomerasas forman un intermedio de fosfotirosina entre la tirosina catalítica de la enzima y el fosforilo escindible del esqueleto del ADN.
- Las topoisomerasas de tipo IA forman un enlace covalente entre la tirosina catalítica y el 5'-fosforilo.
- Las enzimas de tipo IB forman un intermedio covalente de 3'-fosfotirosina.
- Las topoisomerasas de tipo IC forman un intermedio covalente de 3'-fosfotirosina.
Este intermedio es isoenergético, lo que significa que la reacción de escisión hacia adelante y la reacción de religación hacia atrás son energéticamente iguales. Como tal, no se necesita una fuente de energía externa para llevar a cabo esta reacción.
Inhibición
Como las topoisomerasas generan roturas en el ADN, son objetivos de inhibidores de moléculas pequeñas que inhiben la enzima. La topoisomerasa tipo 1 es inhibida por irinotecán , topotecán , hexilresorcinol y camptotecina .
La enzima topoisomerasa humana tipo IB forma un intermedio covalente de 3'-fosfotirosina, el complejo de escisión de topoisomerasa 1 (Top1cc). El metabolito activo del irinotecán, SN-38 , actúa atrapando (formando un complejo ternario con) un subconjunto de Top1cc, aquellos con una guanina +1 en la secuencia de ADN. [11] Una molécula de SN-38 derivada de irinotecán se apila contra los pares de bases que flanquean el sitio de escisión inducida por la topoisomerasa y envenena (inactiva) la enzima topoisomerasa 1. [11]
Tras la infección por el bacteriófago (fago) T4 de su huésped bacteriano, Escherichia coli , el genoma del fago especifica un producto génico (gp55.2) que inhibe la topoisomerasa bacteriana I. [12] Gp55.2 se une al ADN y bloquea específicamente la relajación de superenrollados negativos ADN por topoisomerasa I. Esta inhibición parece ser una adaptación para modular sutilmente la actividad de la topoisomerasa I del huésped durante la infección para asegurar un rendimiento óptimo de fagos.
Letalidad sintética
La letalidad sintética surge cuando una combinación de deficiencias en la expresión de dos o más genes conduce a la muerte celular, mientras que una deficiencia en solo uno de estos genes no lo hace. Las deficiencias pueden surgir por mutación, alteración epigenética o por inhibición de la expresión de un gen.
La inhibición de la topoisomerasa 1 es sintéticamente letal con deficiencia en la expresión de ciertos genes de reparación del ADN. En pacientes humanos, los genes de reparación de ADN deficientes incluyen WRN [13] y MRE11 . [14] En estudios preclínicos relacionados con el cáncer, los genes de reparación de ADN deficientes incluyen ATM [15] y NDRG1 . [16] [17]
Autoanticuerpos
Los autoanticuerpos dirigidos contra la topoisomerasa tipo I se denominan anticuerpos anti-Scl-70 , nombrados por la asociación con el eroderma scl y el fragmento inmunorreactivo extraíble de 70 kD que se puede obtener del antígeno de topoisomerasa diana de mayor tamaño (100-105 kD) (llamado SCL). -70 Antígeno) de los anticuerpos. [18]
Referencias
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enlaces externos
- ADN + Topoisomerasas, + Tipo + I en los encabezados de temas médicos (MeSH) de la Biblioteca Nacional de Medicina de EE. UU .