La ADN topoisomerasa 1 es una enzima que en los seres humanos está codificada por el gen TOP1 . Se trata de una ADN topoisomerasa , una enzima que cataliza la ruptura y la unión transitoria de una sola cadena de ADN .
Este gen codifica una topoisomerasa del ADN, una enzima que controla y altera los estados topológicos del ADN durante la transcripción. Esta enzima cataliza la ruptura y la unión transitoria de una sola hebra de ADN, lo que permite que la hebra rota gire alrededor de la hebra intacta, [5] alterando así la topología del ADN. Este gen está localizado en el cromosoma 20 y tiene pseudogenes que residen en los cromosomas 1 y 22. [6]
Como lo revisó Champoux, [7] las topoisomerasas de tipo IB, incluida TOP1, forman un intermediario covalente en el que la tirosina del sitio activo se une al extremo fosfato 3' de la cadena escindida en lugar del extremo fosfato 5'.
Se descubrió que las topoisomerasas eucariotas I cortan el ADN con preferencia por una secuencia de nucleótidos que se extiende desde las posiciones -4 a -1 desde la muesca. Los nucleótidos preferidos en la cadena que se va a cortar son 5'-(A/T)(G/C)(A/T)T-3' con la enzima unida covalentemente al residuo T -1, aunque a veces se encuentra un residuo C en la posición -1.
La proteína TOP1 de los humanos se ha subdividido en cuatro regiones. Los 214 aminoácidos del extremo N son necesarios para la relajación de la actividad de superenrollamiento in vitro y hay cuatro señales de localización nuclear y sitios de interacción con otras proteínas celulares dentro del dominio del extremo N. El dominio del extremo N es seguido por un dominio central altamente conservado de 421 aminoácidos que contiene todos los residuos catalíticos excepto el sitio activo tirosina . A este le sigue un dominio de enlace poco conservado de 77 aminoácidos. Finalmente, hay un dominio del extremo C de 53 aminoácidos. El sitio activo Tyr 723 se encuentra dentro del dominio del extremo C.
Como resumieron además Pommier y Seol et al., [5] [8] TOP1 rompe el ADN mediante una reacción de transesterificación utilizando la tirosina del sitio activo como nucleófilo que ataca la cadena principal de fosfodiéster del ADN. Después de que TOP1 se une covalentemente al extremo 3' de la cadena rota, el superenrollamiento del ADN se relaja mediante la rotación controlada del ADN alrededor de la cadena intacta. Luego, el extremo hidroxilo 5' de la cadena de ADN rota puede revertir el enlace fosfotirosilo, lo que permite la liberación de TOP1 y la religación del ADN. Las reacciones de corte y cierre son rápidas y pueden ocurrir alrededor de 100 ciclos por segundo.
La estructura TOP1-ADN brevemente unida y unida covalentemente en el extremo 3' de una hebra simple de ADN escindida se denomina complejo de escisión TOP1-ADN o TOP1cc. El TOP1cc es un objetivo específico de los inhibidores de TOP1 . Uno de los primeros inhibidores que se ha demostrado que tiene como objetivo a TOP1 es el irinotecán . El irinotecán es un análogo del alcaloide natural citotóxico camptotecina , obtenido del árbol chino Camptotheca acuminata . [9] El irinotecán es especialmente eficaz a través de su producto metabólico SN-38 . El irinotecán y el SN-38 actúan atrapando un subconjunto de complejos de escisión TOP1-ADN, aquellos con una guanina +1 en la secuencia de ADN. [5] Una molécula de irinotecán o SN-38 se apila contra los pares de bases que flanquean el sitio de escisión inducido por la topoisomerasa y envenena (inactiva) la enzima TOP1. [5] El artículo Camptothecin enumera otros análogos de la camptotecina y el artículo Inhibidor de la topoisomerasa enumera otros compuestos que inhiben TOP1.
Desde 1985, TOP1 se ha considerado un objetivo para el tratamiento de cánceres humanos. [9] Los análogos de camptotecina irinotecan y topotecan , que inhiben TOP1, se encuentran entre los agentes quimioterapéuticos contra el cáncer aprobados por la FDA más eficaces que se utilizan en la práctica clínica. La mayor expresión de TOP1 en el cáncer de pulmón de células no pequeñas con mutación KRAS y la correlación con la supervivencia sugieren que los inhibidores de TOP1 podrían tener un mayor beneficio cuando se administran para tratar a pacientes con un tumor con mutación KRAS. [10]
La letalidad sintética se produce cuando una combinación de deficiencias en la expresión de dos o más genes conduce a la muerte celular, mientras que una deficiencia en uno solo de estos genes no lo hace. Las deficiencias pueden surgir por mutación , alteración epigenética o por inhibición de la expresión de un gen.
La inactivación de TOP1 por irinotecán parece ser sintéticamente letal en combinación con deficiencias en la expresión de algunos genes específicos de reparación del ADN.
La inactivación de TOP1 por irinotecán fue letal sintéticamente con expresión deficiente del gen de reparación de ADN WRN en pacientes con cáncer de colon. [11] En un estudio de 2006, 45 pacientes tenían tumores colónicos con promotores del gen WRN hipermetilados ( expresión de WRN silenciada ), y 43 pacientes tenían tumores con promotores del gen WRN no metilados , por lo que la expresión de la proteína WRN era alta. [11] El irinotecán fue más fuertemente beneficioso para pacientes con promotores WRN hipermetilados (supervivencia de 39,4 meses) que para aquellos con promotores WRN no metilados (supervivencia de 20,7 meses). El promotor del gen WRN está hipermetilado en aproximadamente el 38% de los cánceres colorrectales . [11]
La inactivación de TOP1 con irinotecán puede ser letal sintéticamente en caso de expresión deficiente del gen de reparación del ADN MRE11 . Se llevó a cabo un estudio reciente con 1264 pacientes con cáncer de colon en estadio III. [12] Los pacientes fueron tratados con un bolo adyuvante semanal posoperatorio de 5-fluorouracilo/leucovorina (FU/LV) o bien con irinotecán+FU/LV y fueron seguidos durante 8 años. El once por ciento de los tumores eran deficientes en la enzima de reparación del ADN MRE11 debido a una deleción de una cadena de timidinas en la secuencia de ADN del gen MRE11 . La adición de irinotecán a FU/LV en el protocolo de tratamiento dio como resultado que los pacientes deficientes en MRE11 tuvieran una mejor supervivencia libre de enfermedad a largo plazo que los pacientes con MRE11 de tipo salvaje (aunque el efecto fue pequeño), lo que indica cierto grado de letalidad sintética entre la inactivación de TOP1 inducida por irinotecán y la deficiencia de MRE11 . [12]
Existen varios estudios preclínicos que indican la letalidad sintética del irinotecán con otras deficiencias genéticas o epigenéticas de reparación del ADN comunes en los cánceres. Por ejemplo, el gen de reparación del ADN ATM se hipermetila (silencia) con frecuencia en muchos cánceres (ver hipermetilación de ATM en cánceres ). Un estudio de 2016 mostró que la baja expresión de la proteína ATM en células de cáncer gástrico in vitro y en un modelo de ratón causó una mayor sensibilidad a la inactivación por irinotecán en comparación con las células con alta expresión de ATM. [13] Esto indica la letalidad sintética de la deficiencia de ATM con la deficiencia de TOP1 mediada por irinotecán. [13]
Otro esfuerzo preclínico fue un estudio de detección para encontrar un compuesto que fuera letal sintéticamente con una deficiencia de la expresión del gen 1 regulado corriente abajo de N-myc ( NDRG1 ). NDRG1 es un gen supresor de metástasis en el cáncer de próstata, [14] y parece tener un papel en la reparación del ADN. [15] La detección de 3360 compuestos reveló que la deficiencia de TOP1 mediada por irinotecan (y otro compuesto, el bromuro de cetrimonio) exhiben letalidad sintética con deficiencia de NDRG1 en células de cáncer de próstata. [14]
La exposición de células HeLA humanas a la radiación UVB estimula específicamente la formación de complejos covalentes entre la topoisomerasa I y el ADN . [16] La topoisomerasa I parece tener un papel directo en la reparación por escisión de nucleótidos , un proceso que elimina los daños en el ADN inducidos por la radiación UVB y otros. [16]
Se ha demostrado que TOP1 interactúa con: