Топоизомераза II и её роль в репликации ДНК¶
Топоизомераза II — фермент класса топоизомераз, катализирующий разрезание обеих цепей молекулы ДНК, перенос сегмента через образовавшийся разрыв и последующее воссоединение цепей. За счёт этого фермент изменяет топологию ДНК — её степень закрученности и число зацеплений между цепями, — что необходимо при репликации, транскрипции, рекомбинации и конденсации хромосом. У эукариот топоизомераза II существует в двух изоформах — α и β, у бактерий её функциональный аналог известен как ДНК-гираза и топоизомераза IV.
¶Механизм действия
Топоизомераза II относится к АТФ-зависимым ферментам. Она работает как гомодимер (у эукариот) или тетрамер, связывает две молекулы АТФ и проводит реакцию двухцепочечного разрыва через промежуточное ковалентное соединение остатка тирозина активного центра с 5'-концом разрезанной цепи.
Цикл реакции включает несколько стадий:
- связывание фермента с участком ДНК (G-сегмент);
- разрезание обеих цепей с образованием «ворот»;
- перенос второго участка (T-сегмента) через разрыв;
- лигирование цепей и высвобождение фермента.
В отличие от топоизомеразы I, которая вносит одноцепочечный разрыв, топоизомераза II меняет число зацеплений (linking number) сразу на две единицы. Это позволяет ей не только снимать сверхскручивание, но и разделять катенаны — сцепленные кольцевые молекулы ДНК.
¶Роль в репликации ДНК
Во время репликации перед репликационной вилкой накапливается положительное сверхскручивание: ДНК-полимеразы продвигаются по матрице, а неподвижные участки хромосомы не успевают проворачиваться. Без снятия этого напряжения вилка останавливается.
Топоизомераза II выполняет две ключевые функции:
- Снятие сверхскручивания. Фермент релаксирует положительные супервитки, образующиеся впереди вилки, обеспечивая её непрерывное продвижение.
- Разделение дочерних молекул. После завершения синтеза две новые молекулы ДНК оказываются сцепленными (катенанами). Топоизомераза II разрезает одну из них, пропускает вторую и сшивает разрыв, разъединяя сестринские хромосомы перед делением клетки.
У эукариот эту работу в основном выполняет изоформа IIα, уровень которой резко возрастает в S- и G2-фазах клеточного цикла. Изоформа IIβ менее связана с репликацией и участвует в транскрипции и поддержании структуры хроматина.
¶Ингибиторы и клиническое значение
Способность топоизомеразы II разрезать ДНК делает её мишенью для ряда лекарств. Ингибиторы делят на два типа:
| Тип | Примеры | Механизм |
|---|---|---|
| «Яды» (poisons) | этопозид, тенипозид, доксорубицин | Стабилизируют комплекс фермент–ДНК, накапливая нерепарируемые разрывы |
| Каталитические ингибиторы | мербарон, дексразоксан | Блокируют каталитический цикл без образования разрывов |
«Яды» топоизомеразы II применяются в химиотерапии опухолей, поскольку активно делящиеся раковые клетки особенно чувствительны к двуцепочечным разрывам. Доксорубицин дополнительно интеркалирует в ДНК. Побочным эффектом этих препаратов бывает кардиотоксичность и вторичные опухоли, связанные с повреждением генома.
У бактерий мишенями антибиотиков служат гираза и топоизомераза IV: к ним относятся фторхинолоны (ципрофлоксацин, левофлоксацин). Мутации в генах этих ферментов вызывают устойчивость бактерий к хинолонам.
¶Регуляция и биологическое значение
Активность топоизомеразы II регулируется фосфорилированием, уровнем экспрессии и посттрансляционными модификациями. У высших организмов фермент необходим для нормального расхождения хромосом: его инактивация приводит к остановке клеточного цикла и гибели клетки. Нарушения работы топоизомеразы II связывают с геномной нестабильностью и рядом онкологических заболеваний, что делает фермент объектом изучения в молекулярной биологии и фармакологии.
IRONLIVE — база данных и аналитика по компаниям России.
На главную IRONLIVE →