En biología molecular, las topoisomerasas de tipo I son enzimas que cortan una de las dos hebras de ADN bicatenario, relajan la hebra y la vuelven a hibridar. Además, se subdividen en dos topoisomerasas estructural y mecánicamente distintas: tipo IA y tipo IB.
Históricamente, las topoisomerasas de tipo IA se denominan topo I procariótica, mientras que las topoisomerasas de tipo IB se denominan topoisomerasa eucariota. Sin embargo, esta distinción ya no se aplica ya que las topoisomerasas de tipo IA y tipo IB existen en todos los ámbitos de la vida.
Funcionalmente, estas subclases realizan funciones muy especializadas. La topoisomerasa I procariótica (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.
Estas enzimas tienen varias funciones: eliminar los superenrollamientos del ADN durante la transcripción y la replicación del ADN ; para rotura de hebras durante la recombinación ; para la condensación de cromosomas ; y desenredar el ADN entrelazado durante la mitosis . [1] [2]
Este dominio asume un pliegue beta(2)-alfa-beta-alfa-beta(2), con un cruce hacia la izquierda entre las hebras beta2 y beta3. Tiene cuatro cadenas beta entrecruzadas rodeadas por cuatro hélices alfa que están dispuestas en un pliegue de Rossmann [3]
Las topoisomerasas de tipo I son enzimas independientes de ATP (excepto la girasa inversa ), y pueden subdividirse según su estructura y mecanismos de reacción: tipo IA (topoisomerasa I bacteriana y arqueal, topoisomerasa III y girasa inversa) y tipo IB (topoisomerasa I y eucariota). topoisomerasa V). Estas enzimas son las principales responsables de relajar el ADN superenrollado positiva y/o negativamente, excepto la girasa inversa, que puede introducir superenrollamientos positivos en el ADN.
Las topoisomerasas de ADN regulan el número de enlaces topológicos entre dos cadenas de ADN (es decir, cambian el número de vueltas superhélices) catalizando roturas transitorias de una o dos cadenas, cruzando las cadenas entre sí y luego volviendo a sellar las roturas. [4]
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]
Las topoisomerasas de tipo IA, que históricamente se dice que se encuentran en procariotas, crean una única ruptura en el ADN y pasan una segunda hebra o dúplex a través de la ruptura. Este mecanismo de paso de hebras comparte varias características con las topoisomerasas de tipo IIA. Ambos forman un intermediario 5' fosfotirosina 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).
Las topoisomerasas de tipo IA tienen varios dominios, a menudo los dominios 1-4. El dominio I contiene un dominio Toprim (un pliegue de Rossman conocido por coordinar iones de magnesio), el dominio IV y el dominio III constan cada uno de un dominio de hélice-giro-hélice (HTH); la tirosina catalítica reside en la 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 topo III (ver más abajo) unido al ADN monocatenario [7] (pdb id = 1I7D) muestra cómo el dominio HTH y Toprim están coordinados alrededor del ADN.
Existen varias variantes de topoisomerasas de tipo IA, que se diferencian por los apéndices unidos al núcleo principal (a veces denominados "topo-pliegue"). Los miembros de esta subclase incluyen topo I, topo III (que contienen motivos adicionales de unión a zinc) y girasa inversa. La girasa inversa es particularmente interesante porque está unido un dominio ATPasa, que se asemeja al dominio similar a 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 del ATP para introducir superenrollamientos positivos y enrollar el ADN, una característica atractiva en los hipertermófilos, en los que se sabe que existe la girasa inversa. Rodríguez y Stock han trabajado más para identificar un "pestillo" que interviene en la comunicación de la hidrólisis del ATP a la introducción de superenrollamientos positivos.
La variante topo III también es muy interesante porque tiene motivos de unión al 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.
Las topoisomerasas de tipo IA operan a través de un mecanismo de paso de cadena, utilizando una única puerta (a diferencia de las topoisomerasas de tipo II). Primero, el ADN monocatenario se une a los dominios III y I. La tirosina catalítica escinde la columna vertebral del ADN, creando un intermedio fosfotirosina 5' transitorio. Luego se separa la rotura, utilizando el dominio II como bisagra, y se pasa a través de ella un segundo dúplex o hebra de ADN. Los dominios III y I se cierran y el ADN se vuelve a hibridar.
A diferencia de las topoisomerasas de tipo IA, la topoisomerasa de tipo 1B resuelve el problema del ADN sobreenrollado o insuficientemente enrollado (también conocido como superenrollado positivo o negativo) a través de un mecanismo rotatorio impedido. Las estructuras cristalinas, la bioquímica y los experimentos con moléculas individuales han contribuido a un mecanismo general. La enzima primero envuelve el ADN y crea un único intermediario 3' fosfotirosina. Luego, el extremo 5' queda libre para girar, girándolo alrededor de la otra hebra, para relajar el ADN hasta que la topoisomerasa vuelve a ligar las hebras rotas.
Se ha resuelto la estructura del topo IB unido al ADN (pdb id = 1A36). Topo IB se compone de un NTD, un lóbulo de cobertura, un lóbulo catalítico y un dominio C-terminal. El lóbulo protector y el lóbulo catalítico envuelven el ADN.
La relajación no es un proceso activo y la energía (en forma de ATP ) no se gasta durante los pasos de mellado 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 fosfodiéster simplemente reemplaza un enlace fosfomonoéster por otro. La topoisomerasa tampoco utiliza ATP durante el desenrollado del ADN; más bien, el par presente en el ADN impulsa el desenrollado y avanza, en promedio, enérgicamente cuesta abajo. 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 desenrollado del ADN se realiza mediante torsión y continúa hasta que se produce la religación. Ningún dato sugiere que Topo IB "controle" el giro en la medida en que tenga un mecanismo que desencadene el religamiento después de que se elimine un número específico de superenrollamientos. Por el contrario, los experimentos con una sola molécula sugieren que la religación es un proceso aleatorio y tiene cierta probabilidad de ocurrir cada vez que el extremo 5'-OH giratorio se acerca al sitio de unión del extremo 3' unido a enzima.
Las topoisomerasas de tipo IB se identificaron originalmente en eucariotas y virus. El topo I viral es único 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.
Se identificó un tercer tipo de topoisomerasa I, la topo V, en el arqueón 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 orígenes virales. [8] Se resolvió la estructura cristalina del topo V. [9] Las topoisomerasas tipo IC funcionan a través de un mecanismo giratorio controlado, muy parecido a las topoisomerasas tipo IB [10] (pdb ID = 2CSB y 2CSD), pero el pliegue es único.
Todas las topoisomerasas forman un intermedio de fosfotirosina entre la tirosina catalítica de la enzima y el fosforilo escindible de la columna vertebral del ADN.
Este intermediario es isoenergético, lo que significa que la reacción de escisión hacia adelante y la reacción de religación hacia atrás son ambas energéticamente iguales. Como tal, no se necesita ninguna fuente de energía externa para llevar a cabo esta reacción.
Como las topoisomerasas generan roturas en el ADN, son el objetivo 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 SN-38 derivada de irinotecán se acumula 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 genético (gp55.2) que inhibe la topoisomerasa I bacteriana. [12] Gp55.2 se une al ADN y bloquea específicamente la relajación de las moléculas superenrolladas negativamente. ADN por la topoisomerasa I. Esta inhibición parece ser una adaptación para modular sutilmente la actividad de la topoisomerasa I del huésped durante la infección para garantizar un rendimiento óptimo de fagos.
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. 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 reparadores del ADN. En pacientes humanos, los genes de reparación del ADN deficientes incluyen WRN [13] y MRE11 . [14] En estudios preclínicos relacionados con el cáncer, los genes de reparación del ADN deficientes incluyen ATM [15] y NDRG1 . [16] [17]
Los autoanticuerpos dirigidos contra la topoisomerasa tipo I se denominan anticuerpos anti-Scl-70 , llamados así por la asociación con la erodermia scl y el fragmento inmunorreactivo extraíble de 70 kD que se puede obtener del antígeno de la topoisomerasa diana, que de otro modo sería más grande (100-105 kD) (llamado SCL). -70 Antígeno) de los anticuerpos. [18]
