拓扑异构酶：特征，功能，类型和抑制剂 - 生物学 - 2025

所述拓扑异构酶是酶异构酶一个修改型脱氧核糖核酸（DNA）的拓扑结构，产生其两个退绕和超螺旋作为其卷曲。

这些酶在缓解DNA的扭转应力方面具有特定作用，因此可能发生重要的过程，例如复制，DNA转录成信使核糖核酸（mRNA）和DNA重组。

图1。拓扑异构酶II。来源：Emw，来自维基共享资源

拓扑异构酶存在于真核和原核细胞中。科学家Watson和Crick在评估限制存在的DNA结构以允许访问其信息（存储在其核苷酸序列中）时预测了它的存在。

要了解拓扑异构酶的功能，必须考虑到DNA具有稳定的双螺旋结构，其链条彼此缠绕。

这些线性链由通过5'-3'磷酸二酯键连接的2-脱氧核糖和内部的含氮碱基组成，如螺旋楼梯的梯级。

图2. DNA分子。资料来源：https://es.m.wikipedia.org/wiki/Archivo:3DScience_DNA_structure_labeled_a.jpg

DNA分子的拓扑研究表明，它们可以根据其扭转应力而呈现各种构象：从松弛状态到允许压缩的不同卷曲状态。

具有不同构象的DNA分子称为拓扑异构体。因此，我们可以得出结论，拓扑异构酶I和II可以增加或减少DNA分子的扭转应力，形成它们不同的拓扑异构体。

在可能的DNA拓扑异构体中，最常见的构型是非常紧凑的超螺旋。但是，DNA双螺旋也必须在各种分子过程中被拓扑异构酶解旋。

特点

一般作用机制

某些拓扑异构酶只能使DNA的负超螺旋或两个DNA的超螺旋松弛：正负。

如果圆形双链DNA在其纵轴上解开，并且发生了左旋（顺时针），则称其为负超螺旋。如果转弯是顺时针（逆时针），则肯定是过线圈。

图3.负超螺旋，松弛和正超螺旋圆形双链DNA。来源：Fdardel，来自Wikimedia Commons

基本上，拓扑异构酶可以：

-促进DNA链穿过相反链的切口（I型拓扑异构酶）。

-促进完整的双螺旋通过本身的切割，或通过另一个不同的双螺旋（II型拓扑异构酶）的切割通过。

总之，拓扑异构酶通过在构成DNA的一条或两条链中磷酸二酯键的裂解而起作用。然后，它们修饰双螺旋（拓扑异构酶I）或两个双螺旋（拓扑异构酶II）的链的卷曲状态，以最终再次结合或结合切割的末端。

拓扑异构酶与细胞周期

尽管拓扑异构酶I是在S期（DNA合成）过程中表现出更高活性的酶，但并不认为它依赖于细胞周期的一个阶段。

而拓扑异构酶II活性在细胞生长的对数期和快速生长的肿瘤细胞中更活跃。

特征

编码拓扑异构酶的基因的改变对细胞具有致死性，证明了这些酶的重要性。拓扑异构酶参与的过程包括：

遗传材料的紧凑存储

拓扑异构酶以紧凑的方式促进了遗传信息的存储，因为它们会产生DNA的卷曲和超卷曲，从而可以在相对较小的体积中找到大量信息。

获取遗传信息

如果没有拓扑异构酶及其独特特性，将不可能访问DNA中存储的信息。这是由于这样的事实，即拓扑异构酶在复制，转录和重组过程中，在释放过程中会周期性释放DNA双螺旋中产生的扭转应力。

图4. DNA复制。参见DNA发夹开头的拓扑异构酶。资料来源：Miguelsierra通过Wikimedia Commons翻译的LadyofHats

如果不释放在这些过程中产生的扭转应力，则可能会发生基因表达缺陷，环状DNA或染色体断裂，甚至导致细胞死亡。

基因表达调控

DNA分子的构象变化（在三维结构中）将特定区域暴露于外部，该区域可以与DNA结合蛋白相互作用。这些蛋白质具有基因表达的调节功能（阳性或阴性）。

图5.基因表达的调节蛋白，在这种情况下，它阻止了某些基因的表达。英语维基百科上的Zephyris

因此，由拓扑异构酶的作用产生的DNA的卷曲状态影响基因表达的调节。

拓扑异构酶II的特殊性

拓扑异构酶II对于染色单体的组装，染色体的缩合和解缩以及有丝分裂过程中子代DNA分子的分离是必需的。

这种酶也是一种结构蛋白，在相间期也是细胞核基质的主要成分之一。

拓扑异构酶的类型

拓扑异构酶主要有两种类型，具体取决于它们是否能够切割DNA的一条或两条链。

-I型拓扑异构酶

单体的

I型拓扑异构酶是减轻负和正超螺旋的单体，其在转录期间以及在复制和基因重组过程中由发夹运动产生。

I型拓扑异构酶可分为1A型和1B型。后者是人类中发现的那些，它们负责松弛超螺旋DNA。

酪氨酸活性部位

拓扑异构酶1B（Top1B）由765个氨基酸组成，分为4个特定结构域。这些域之一具有高度保守的区域，其中包含酪氨酸活性位点（Tyr7233）。所有拓扑异构酶在其活性位点都存在酪氨酸，在整个催化过程中都起着重要作用。

作用机理

活性位点酪氨酸与DNA链的3'-磷酸末端形成共价键，将其切割并使其附着在酶上，而另一条DNA则通过切割。

由于酶的构象转化，使另一条DNA链通过了分裂链，从而产生了DNA双螺旋。

然后，拓扑异构酶I返回其初始构象，并再次结合切割的末端。这是通过在酶的催化位点上与DNA链断裂相反的过程发生的。最后，拓扑异构酶释放DNA链。

DNA连接的速率高于切除的速率，从而确保了分子的稳定性和基因组的完整性。

总之，I型拓扑异构酶催化：

1. 股线的分裂。
2. 另一条链通过切割。
3. 切割末端的结扎。

-II型拓扑异构酶

二聚体

II型拓扑异构酶是二聚体酶，可切割DNA的两条链，从而放松转录和其他细胞过程中产生的超螺旋。

镁依赖

这些酶需要镁（Mg ⁺⁺），还需要通过破坏ATP三磷酸键产生的能量，这要归功于ATP酶。

酪氨酸的两个活性位点

人拓扑异构酶II与酵母（Saccharomyces cerevisiae）的拓扑结构非常相似，后者由两种单体（亚片段A和B）组成。每个单体都有一个ATPase域，在亚片段中有一个可以结合DNA的活性位点酪氨酸782。因此，两条DNA链可以结合拓扑异构酶II。

作用机理

拓扑异构酶II的作用机理与对拓扑异构酶I所述的机理相同，考虑到两条DNA链被分开，而不仅仅是一条。

在拓扑异构酶II的活性位点，DNA的双螺旋片段（称为“片段G”）被稳定化（通过与酪氨酸共价键合）。该片段被切除并通过共价键结合到活性位点。

然后，由于酶的构象变化（取决于ATP的水解作用），该酶使另一个称为“ T片段”的DNA片段穿过裂解的片段“ G”。

拓扑异构酶II结合“ G片段”的两个末端，并最终恢复其初始状态，释放“ G”片段。然后，DNA放松扭转应力，使复制和转录得以发生。

-人类拓扑异构酶

人类基因组具有五个拓扑异构酶：top1，top3α，top3β（I型）；和top2α，top2β（类型II）。与人类最相关的拓扑异构酶是top1（IB型拓扑异构酶）和2α（II型拓扑异构酶）。

拓扑异构酶抑制剂

-拓扑异构酶是化学攻击的靶标

由于拓扑异构酶催化的过程是细胞存活所必需的，因此这些酶是攻击恶性细胞的良好靶标。因此，拓扑异构酶被认为在许多人类疾病的治疗中很重要。

目前，与拓扑异构酶相互作用的药物已被广泛用作针对癌细胞（人体不同器官）和致病微生物的化学治疗物质。

-抑制类型

抑制拓扑异构酶活性的药物可以：

• 夹在DNA中。
• 影响该酶拓扑异构酶。
• 插入接近酶活性位点的分子中，同时稳定DNA-拓扑异构酶复合物。

DNA结合到酶催化位点的酪氨酸上形成的瞬时复合物的稳定作用，阻止了裂解片段的结合，从而导致细胞死亡。

-拓扑异构酶抑制剂药物

抑制拓扑异构酶的化合物如下。

抗肿瘤抗生素

抗生素用于抗癌，因为它们可以阻止肿瘤细胞的生长，通常会干扰其DNA。这些通常被称为抗肿瘤（癌症）抗生素。例如，放线菌素D影响拓扑异构酶II，并用于儿童和横纹肌肉瘤的Wilms肿瘤中。

蒽环类

蒽环类抗生素是最有效的抗癌药物之一，并且具有最广泛的应用范围。它们用于治疗肺癌，卵巢癌，子宫癌，胃癌，膀胱癌，乳腺癌，白血病和淋巴瘤。已知通过插入DNA中会影响拓扑异构酶II。

从放线菌（Peeptomyces peucetius）分离的第一个蒽环类药物是柔红霉素。随后，在实验室中合成了阿霉素，如今还使用了表柔比星和伊达比星。

蒽醌

蒽醌或蒽二酮是类似于蒽环类的蒽衍生的化合物，它们通过插入DNA来影响拓扑异构酶II的活性。它们用于转移性乳腺癌，非霍奇金淋巴瘤（NHL）和白血病。

这些药物存在于一些昆虫，植物（无花果，番泻叶，大黄），地衣和真菌的色素中。以及天然矿物中的hoelite。根据您的剂量，它们可能会致癌。

在这些化合物中，我们有米托蒽醌及其类似物洛索蒽醌。这些阻止了恶性肿瘤细胞的增殖，不可逆地与DNA结合。

鬼臼毒素

鬼臼毒素，例如鬼臼毒素（VP-16）和替尼泊苷（VM-26），与拓扑异构酶II形成复合物。它们用于抗肺癌，睾丸癌，白血病，淋巴瘤，卵巢癌，乳腺癌和恶性颅内肿瘤等。从植物中分离出鬼臼（Podophyllum notatum）和peltatum（P.peltatum）。

喜树碱类似物

喜树碱是抑制拓扑异构酶I的化合物，包括伊立替康，拓扑替康和地氟替康。

这些化合物已被用于抗结肠癌，肺癌和乳腺癌，并且是从中国和西藏山茱corn的树栖喜树植物树皮和树皮中自然获得的。

自然抑制

拓扑异构酶I和II的结构改变也可以完全自然发生。这可能会在某些影响催化过程的事件中发生。

这些改变包括嘧啶二聚体的形成，氮碱基错配以及氧化应激引起的其他事件。

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