En biología molecular, las topoisomerasas de tipo I son enzimas que cortan una de las dos cadenas de ADN bicatenario, relajan la cadena y la vuelven a hibridar. Se subdividen a su vez en dos topoisomerasas estructural y mecánicamente distintas: tipo IA y tipo IB.
Históricamente, las topoisomerasas de tipo IA se denominaban topo I procariotas, mientras que las de tipo IB se denominaban topoisomerasas eucariotas. Sin embargo, esta distinción ya no se aplica, ya que las topoisomerasas de tipo IA y de 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 superenrollados positivos, separando el ADN de los cromosomas hijos después de la replicación del ADN y relajando el ADN.
Estas enzimas tienen varias funciones: eliminar las superenrollaciones del ADN durante la transcripción y la replicación del ADN ; romper cadenas durante la recombinación ; condensar 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 entrecruzamiento hacia la izquierda entre las cadenas 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, según su estructura y mecanismos de reacción, pueden subdividirse en tipo IA (topoisomerasa I bacteriana y arqueal, topoisomerasa III y girasa inversa) y tipo IB (topoisomerasa I y topoisomerasa V eucariota). 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 superhelicoidales) catalizando rupturas transitorias de cadena simple o doble, cruzando las cadenas una a través de la otra y luego volviendo a sellar las rupturas. [4]
Las topoisomerasas de ADN se dividen en dos clases: las enzimas de tipo I (EC; topoisomerasas I, III y V) rompen el ADN de cadena sencilla, y las enzimas de tipo II (EC; topoisomerasas II, IV y VI) rompen el ADN de cadena doble. [5]
Las topoisomerasas de tipo IA, que históricamente se creía que se encontraban en procariotas, crean una única rotura en el ADN y pasan una segunda cadena o dúplex a través de la rotura. Este mecanismo de paso de cadena comparte varias características con las topoisomerasas de tipo IIA. Ambas forman un intermediario 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 hacer 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 a 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 consisten cada uno en un dominio hélice-giro-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 de tipo IA se asemeja a una cerradura, con los dominios I, III y IV en la parte inferior de la estructura. [6] La estructura de la topo III (ver a continuación) unida a ADN monocatenario [7] (pdb id = 1I7D) muestra cómo se coordinan el dominio HTH y Toprim con respecto al ADN.
Existen varias variantes de topoisomerasas de tipo IA, que se diferencian por los apéndices unidos al núcleo principal (a veces denominados "topo-fold"). Los miembros de esta subclase incluyen topo I, topo III (que contiene motivos adicionales de unión al cinc) y girasa inversa. La girasa inversa es particularmente interesante porque tiene unido un dominio ATPasa, que se parece al dominio tipo 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 la girasa inversa. Rodríguez y Stock han realizado más trabajos para identificar un "pestillo" que está involucrado en la comunicación de la hidrólisis de ATP con 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 la topo III está asociada con la helicasa BLM (síndrome de Bloom) durante la recombinación.
Las topoisomerasas de tipo IA funcionan a través de un mecanismo de paso de cadena, utilizando una única compuerta (a diferencia de las topoisomerasas de tipo II). En primer lugar, el ADN monocatenario se une a los dominios III e I. La tirosina catalítica escinde la cadena principal del ADN, creando un intermediario transitorio de fosfotirosina 5'. A continuación, la rotura se separa, utilizando el dominio II como bisagra, y se pasa a través de ella un segundo dúplex o cadena 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 subenrollado (también conocido como superenrollado positivo o negativo) mediante 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 de fosfotirosina 3'. Luego, el extremo 5' queda libre para girar, retorciéndose alrededor de la otra hebra, para relajar el ADN hasta que la topoisomerasa vuelva a ligar las hebras rotas.
Se ha resuelto la estructura de la topo IB unida al ADN (pdb id = 1A36). La topo IB está compuesta por un NTD, un lóbulo de protección, un lóbulo catalítico y un dominio C-terminal. El lóbulo de protección 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 corte o ligadura; esto se debe a que la reacción entre el residuo de tirosina en el sitio activo de la enzima con la cadena principal de ADN fosfodiéster simplemente reemplaza un enlace fosfomonoéster por otro. La topoisomerasa tampoco utiliza ATP durante el desenrollado del ADN; más bien, el torque presente en el ADN impulsa el desenrollado y procede en promedio de manera energéticamente cuesta abajo. Experimentos recientes de una sola molécula han confirmado lo que los experimentos de relajación de plásmidos en masa propusieron anteriormente, que es que el desenrollado del ADN es impulsado por el torque y procede hasta que se produce la religación. Ningún dato sugiere que Topo IB "controle" el giro en la medida en que tenga un mecanismo en funcionamiento que desencadene la religación después de eliminar un número específico de superenrollamientos. Por el contrario, los experimentos con moléculas individuales 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 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 para la 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 la arqueona Methanopyrus kandleri . La topo V es el miembro fundador, y hasta ahora el único miembro, de la topoisomerasa de tipo IC, aunque algunos autores sugieren que puede tener orígenes virales. [8] Se resolvió la estructura cristalina de la 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 plegamiento es único.
Todas las topoisomerasas forman un intermedio de fosfotirosina entre la tirosina catalítica de la enzima y el fosforilo escindible de la cadena principal del ADN.
Este intermedio es isoenergético, lo que significa que la reacción de escisión hacia adelante y la reacción de religación hacia atrás son energéticamente iguales. Por lo tanto, no se necesita ninguna fuente de energía externa para llevar a cabo esta reacción.
Las topoisomerasas generan roturas en el ADN y 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 intermediario covalente de 3'-fosfotirosina, el complejo de escisión de la 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 del irinotecán se apila contra los pares de bases que flanquean el sitio de escisión inducido por la topoisomerasa y envenena (inactiva) la enzima topoisomerasa 1. [11]
Tras la infección del huésped bacteriano, Escherichia coli , por el bacteriófago (fago) T4 , el genoma del fago especifica un producto genético (gp55.2) que inhibe la topoisomerasa I bacteriana. [12] La gp55.2 se une al ADN y bloquea específicamente la relajación del ADN superenrollado negativamente 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 del fago.
La letalidad sintética se produce cuando una combinación de deficiencias en la expresión de dos o más genes provoca la muerte celular, mientras que una deficiencia en uno solo de estos genes no la produce. Las deficiencias pueden producirse por mutación, alteración epigenética o inhibición de la expresión de un gen.
La inhibición de la topoisomerasa 1 es letal en la síntesis cuando hay deficiencia en la expresión de ciertos genes de reparación 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 objetivo, que de otro modo sería más grande (100-105 kD) (llamado antígeno SCL-70) de los anticuerpos. [18]
