NUMER 1 - TOP1
Topoizomeraza DNA 1 jest enzymem, który u ludzi jest kodowany przez gen TOP1 . Jest to topoizomeraza DNA , enzym, który katalizuje przejściowe łamanie i ponowne łączenie pojedynczej nici DNA .
Funkcjonować
Gen ten koduje topoizomerazę DNA, enzym, który kontroluje i zmienia stany topologiczne DNA podczas transkrypcji. Enzym ten katalizuje przejściowe przerwanie i ponowne łączenie pojedynczej nici DNA, co pozwala złamanej nici obracać się wokół nienaruszonej nici, zmieniając w ten sposób topologię DNA. Ten gen jest zlokalizowany na chromosomie 20 i ma pseudogeny, które znajdują się na chromosomach 1 i 22.
Mechanizm
Jak oceniał Champoux, topoizomerazy typu IB, w tym TOP1, tworzą kowalencyjny związek pośredni, w którym tyrozyna w miejscu aktywnym przyłącza się do końca fosforanowego 3' rozciętej nici, a nie do końca fosforanowego 5'.
Stwierdzono, że topoizomerazy eukariotyczne I nacinają DNA z preferencją dla sekwencji nukleotydów, która rozciąga się od pozycji -4 do -1 od nacięcia. Preferowane nukleotydy w ciętej nici to 5'-(A/T)(G/C)(A/T)T-3' z enzymem kowalencyjnie przyłączonym do reszty -1 T, chociaż czasami reszta C jest znaleziony na pozycji -1.
Ludzkie białko TOP1 zostało podzielone na cztery regiony. Do N-końcowych 214 aminokwasów jest zbędna dla rozluźnienia supercoiling aktywności in vitro i są cztery sygnały lokalizacji jądrowej i strony do oddziaływania z innymi białkami komórkowymi w domenie N-końcowej. Po domenie N-końcowej następuje wysoce konserwatywna domena o rdzeniu z 421 aminokwasów, zawierająca wszystkie reszty katalityczne z wyjątkiem tyrozyny w miejscu aktywnym . Po nim następuje słabo konserwowana domena łącznikowa o 77 aminokwasach. Wreszcie istnieje 53-aminokwasowa domena C-końcowa. Miejsce aktywne Tyr 723 znajduje się w domenie C-końcowej.
Jak dalej podsumowali Pommier i Seol i wsp., TOP1 rozbija DNA w reakcji transestryfikacji z użyciem tyrozyny w miejscu aktywnym jako nukleofila, który atakuje szkielet fosfodiestrowy DNA. Po kowalencyjnym przyłączeniu TOP1 do końca 3' przerwanej nici, superzwijanie się DNA jest rozluźniane przez kontrolowaną rotację DNA wokół nienaruszonej nici. Następnie koniec hydroksylowy 5' uszkodzonej nici DNA może odwrócić wiązanie fosfotyrozylowe, umożliwiając uwolnienie TOP1 i ponowne zligowanie DNA. Reakcje nacinania i zamykania są szybkie i może wystąpić około 100 cykli na sekundę.
Zahamowanie
Krótko przyłączona, kowalencyjnie związana struktura TOP1-DNA na końcu 3' rozciętej pojedynczej nici DNA jest nazywana kompleksem rozszczepiającym TOP1-DNA lub TOP1cc. TOP1cc jest specyficznym celem inhibitorów TOP1 . Jednym z pierwszych inhibitorów, dla których wykazano, że działają na TOP1 jest irynotekan . Irinotekan jest analogiem cytotoksycznego naturalnego alkaloidu kamptotecyny , otrzymywanego z chińskiego drzewa Camptotheca acuminata . Irinotecan jest szczególnie skuteczny dzięki produktowi metabolicznemu SN-38 . Irynotekan i SN-38 działają poprzez wychwytywanie podzbioru kompleksów rozszczepiających TOP1-DNA, tych z guaniną +1 w sekwencji DNA. Jedna cząsteczka irinotekanu lub SN-38 nakłada się na pary zasad flankujące miejsce cięcia indukowanego topoizomerazą i zatruwa (dezaktywuje) enzym TOP1. Artykuł Kamptotecyna wymienia inne analogi kamptotecyny, a artykuł Inhibitor topoizomerazy wymienia inne związki, które hamują TOP1.
Nowotwór
Od 1985 roku TOP1 jest znany jako cel leczenia nowotworów u ludzi. Analogi kamptotecyny irynotekan i topotekan , które hamują TOP1, należą do najskuteczniejszych, zatwierdzonych przez FDA, chemioterapeutyków przeciwnowotworowych stosowanych w praktyce klinicznej. Wyższa ekspresja TOP1 w niedrobnokomórkowym raku płuca z mutacją KRAS i korelacja z przeżyciem sugeruje, że inhibitory TOP1 mogą przynosić większe korzyści, gdy są podawane w leczeniu pacjentów z nowotworem z mutacją KRAS.
Syntetyczna śmiertelność
Śmiertelność syntetyczna powstaje, gdy połączenie niedoborów ekspresji dwóch lub więcej genów prowadzi do śmierci komórki, podczas gdy niedobór tylko jednego z tych genów nie. Niedobory mogą powstać w wyniku mutacji , zmian epigenetycznych lub zahamowania ekspresji genu.
Inaktywacja TOP1 przez irynotekan wydaje się być syntetycznie śmiertelna w połączeniu z niedoborami ekspresji niektórych specyficznych genów naprawy DNA.
Inaktywacja TOP1 irynotekanem była syntetycznie śmiertelna z niedoborem ekspresji genu naprawy DNA WRN u pacjentów z rakiem okrężnicy. W badaniu z 2006 r. 45 pacjentów miało guzy okrężnicy z hipermetylowanymi promotorami genu WRN (wyciszona ekspresja WRN ), a 43 pacjentów miało guzy z niemetylowanymi promotorami genu WRN , więc ekspresja białka WRN była wysoka. Irynotekan był bardziej korzystny dla pacjentów z hipermetylowanymi promotorami WRN (przeżycie 39,4 miesiąca) niż dla pacjentów z niemetylowanymi promotorami WRN (20,7 miesiąca przeżycia). WRN promotor genu hipermetylowany w około 38% nowotworów jelita grubego .
Inaktywacja TOP1 przez irynotekan może być syntetycznie letalna przy niedostatecznej ekspresji genu naprawy DNA MRE11 . Niedawne badanie przeprowadzono na 1264 pacjentach z rakiem okrężnicy w stadium III. Pacjenci byli leczeni pooperacyjnym cotygodniowym bolusem uzupełniającym 5-fluorouracylu/leukoworyny (FU/LV) lub irynotekanem+FU/LV i byli obserwowani przez 8 lat. Jedenaście procent guzów wykazywało niedobór enzymu naprawczego DNA MRE11 z powodu delecji ciągu tymidyn w sekwencji DNA genu MRE11 . Dodanie irynotekanu do FU/LV w protokole leczenia spowodowało, że pacjenci z niedoborem MRE11 mieli lepsze długoterminowe przeżycie bez choroby niż pacjenci z MRE11 typu dzikiego (chociaż efekt był niewielki), co wskazuje na pewien stopień syntetycznej śmiertelności między irynotekanem a indukowana inaktywacją TOP1 i niedoborem MRE11 .
Istnieje szereg badań przedklinicznych wskazujących na syntetyczną śmiertelność irynotekanu z innymi genetycznymi lub epigenetycznymi niedoborami naprawy DNA, powszechnymi w nowotworach. Na przykład, gen naprawy DNA ATM jest często hipermetylowany (wyciszony) w wielu nowotworach (patrz hipermetylacja ATM w nowotworach ). Badanie z 2016 roku wykazało, że niska ekspresja białka ATM w komórkach raka żołądka in vitro oraz w modelu mysim powodowała zwiększoną wrażliwość na inaktywację przez irinotekan w porównaniu z komórkami o wysokiej ekspresji ATM. Wskazuje to na syntetyczną śmiertelność niedoboru ATM z niedoborem TOP1 za pośrednictwem irynotekanu.
Innym przedsięwzięciem przedklinicznym było badanie przesiewowe mające na celu znalezienie związku, który byłby syntetycznie zabójczy w przypadku niedoboru ekspresji genu 1 regulowanego w dół N-myc ( NDRG1 ). NDRG1 jest genem hamującym przerzuty w raku prostaty i wydaje się odgrywać rolę w naprawie DNA. Badanie przesiewowe 3360 związków ujawniło, że niedobór TOP1 za pośrednictwem irynotekanu (i jeszcze jeden związek, bromek cetrimonium) wykazuje syntetyczną śmiertelność z niedoborem NDRG1 w komórkach raka prostaty.
Naprawa DNA
Ekspozycja ludzkich komórek HeLA na promieniowanie UVB specyficznie stymuluje tworzenie kowalencyjnych kompleksów między topoizomerazą I a DNA . Wydaje się, że topoizomeraza I odgrywa bezpośrednią rolę w naprawie przez wycinanie nukleotydów , procesie, który usuwa uszkodzenia DNA wywołane przez UVB i inne.
Interakcje
Wykazano, że TOP1 wchodzi w interakcje z: