Topoisomerasa

Funcionamiento de la ADN Girasa de E.Coli. Una topoisomerasa de tipo II

Las topoisomerasas (tipo I: EC 5.99.1.2, y tipo II: EC 5.99.1.3) son enzimas capaces de actuar sobre la topología del ADN, ya sea enredándolo para permitir que se almacene de manera mas compacta o desenredandolo para que controle la síntesis de proteínas y para facilitar la replicación del mismo. Estas enzimas son necesarias debido a los inherentes problemas causados por la configuración estructural del ADN.

El ADN posee una estructura en forma de doble hélice en la cual dos hebras o cadenas de azúcar 2-desoxiribosa unidas por puentes fosfato se encuentran enrolladas una sobre la otra, con cuatro bases, adenina, timina, citosina y guanina apareadas y apiladas en el hueco central de esta hélice casi como los escalones en una escalera caracol, esta estructura permite conservar de manera estable el material genetico. Pero ya Watson y Crick habían notado que las dos hebras de ADN se encontraban enrrolladas y retorcidas una sobre la otra, y que esto necesariamente requeriría de un mecanismo capaz de desenrollar y separar las hebras para permitir el acceso a la información almacenada.

Con la finalidad de solventar los problemas causados por esta configuración de doble hélice, las topoisomerasas son capaces de cortar y pegar ya sea una o dos de las hebras de azucar fosfato que forman el armazón o esqueleto del ADN. Este clivaje selectivo permite al ADN desenmarañarse y desenrollarse para permitir el acceso de otras enzimas a la infomación contenida en su interior. Al final del proceso el ADN es restaurado a su configuración inicial. Y ya que el ADN enrredado y desenrredado poseen la misma composición química y los mismos enlaces organizados de la misma forma,las dos formas de ADN, la enredada y la desenrredada, son isómeros que difieren sólo en su configuración global. De allí el nombre de las enzimas. Las topoisomerasas son enzimas isomerasas que actúan sobre la topología del ADN.^[1]

Descubrimiento

La necesidad de esta enzima fue reconocida incluso antes de ser descubierta, cuando la naturaleza de doble hélice del ADN fue resuelta por Watson y Crick; los autores notaron que debía haber algun mecanismo que pudiera resolver o solventar los enredos que surgirían de esta característica estructural. La primera topoisomerasa revelada, la topo I de E. coli, fue descubierta por James C. Wang.^[2]

Función

La estabilidad derivada de la configuración en doble hélice del ADN, reside, naturalmente, en que gracias a esta configuración resulta muy dificil separar las dos hebras, haciendo indispensable la acción de helicasas u otras enzimas para permitir la transcripción de aquellas secuencias de ADN que codifican proteínas, o incluso si los cromosomas van a ser replicados. En el caso de los cromosomas circulares como los que poseen las bacterias, en los cuales la doble hélice se encuentra unida por los extremos formando literalmente un círculo cerrado, las dos hebras se encuentran topológicamente enrolladas, o anudadas. Es decir que, lazos idénticos de ADN pero con diferentes numeros de giros sobre si mismo, son topoisómeros, y no pueden ser interconvertidos por ningún proceso que no involucre la ruptura de las dos hebras de ADN. Las topoisomerasas catalizan y guían el desanudamiento y estiramiento del ADN^[3] creando rupturas momentáneas en las hebras de ADN y utilizando una tirosina evolutivamente muy conservada como residuo catalítico.^[1]

La inserción de un genoma viral dentro de los cromosomas y otras formas de recombinación genética también requieren de la acción de topoisomerasas.

Importancia clínica

Véase también inhibidor de las topoisomerasas

Muchas drogas actúan interfiriendo con las topoisomerasas [1]. Todos los antibióticos de amplio espectro de la familia de las fluoroquinolonas, p ej ciprofloxacina, actúan interfiriendo con la función de las topoisomerasas de tipo II bacterianas, lo que causa rupturas incontrolables en las cadenas de ADN debidas a la acumulación de tensiones internas causadas por los enrrollamientos. Estas pequeñas moléculas inhibidoras actúan como eficientes bactericidas simplemente jaqueando la capacidad natural que tiene la topoisomerasa para aliviar tensiones estructurales crando rupturas controladas en las hebras de ADN.

Algunos tipos de drogas quimioterápicas llamadas inibidores de las topoisomerasas funcionan interfiriendo con las topoisomerasas eucarioticas de mamíferos en las células cancerosas. Ya que las topoisomerasas también cumplen la función estructural de aliviar las tensiones causadas por los enrollamientos del ADN, la inhibición de topoisomerasas eucarióticas induce rupturas en el ADN que finalmente obliga a las células a entrar en el ciclo de muerte celular programada (apoptosis). Sin embargo este efecto de daño en el ADN, puede causar neoplasias secundarias en las personas tratadas, por lo que se tiene muy en cuenta la relación costo beneficio en este tipo de tratamientos.

La topoisomerasa I es el antígeno que es reconocido por los anticuerpos Anti Scl-70 en la enfermedad autoinmune esclerodermia.

Problemas topológicos

El ADN posee tres tipos principales de topología: superenrrollamiento, anudamiento y concatenación. Quitando los procesos escenciales de replicación o transcripción, el resto del tiempo el ADN debe mantenerse en una configuración lo mas compacta posible, y estos tres estados topologicos contribuyen a la causa. Sin embargo cuando ocurren los procesos de transcripción o de replicación, el ADN debe ser separado en hebras simples, y los estados de enrrollamiento dificultan seriamente este proceso. Y adicionalmente, durante la replicación, el nuevo duplex de ADN replicado y la cadena original terminan enrredadas entre si, y deben ser completamente separadas para garantizar la integridad del genoma mientras la célula se divide. Mientras la burbuja transcripcional recorre la cadena, el ADN por delante de la horquilla de transcripción va adquiriendo un superenrrollamiento, mientras que el ADN corriente abajo de la horquilla va quedando prácticamente desenrrollado. Cuando ocurre la replicación del ADN, la doble cadena por delante de la horquilla de replicación va quedando positivamente superenrrollada, nientras que el ADN por detras de la horquilla queda enredado formando precatenanos. Uno de los problemas topologicos mas fundamentales ocurre al final de la replicación, cuando los cromosomas hijos deben ser completamente desenrredados antes de que la mitosis tenga lugar. La topoisomerasa tipo II desempeña un rol esencial resolviendo estos problemas topológicos ADEMAS TIENE HUECOS EXTRAS .

Tipos de topoisomerasas

Las topoisomerasas pueden resolver los problemas topológicos del ADN, y en base al tipo de mecanismo que utililzan pueden ser separadas en dos grandes grupos en base al número de hebras de ADN que cortan por ronda de acción:^[4] ambos tipos de enzimas utilizan un residuo tirosina evolutivamente muy conservado como sitio activo, sin embargo ambos tipos de enzimas son estructural y mecanísticamente diferentes.

• La Topoisomerasa tipo I corta una hebra de ADN, permitiendo de esta forma liberar las tensiones internas debidas a un exesivo enrrollamiento o a un enrrrollamiento deficiente. Una vez que la tensión se ha relajado, pega los extremos de la hebra cortada. Al cortar una de las hebras se permite que la molécula rote alrrededor del enlace que permanece íntegro reduciendo el estrés debido al enrrollamiento. Las topoiosmerasas de tipo I no requieren de ATP para su funcionamiento. Las topoisomerasas de tipo I son frecuentemente subdivididas en dos subclases: Topoisomerasas IA; las cuales tienen muchas similitudes estructurales y mecanísticas con las topoisomerasas de tipo II. Y topoisomerasas IB; las cuales utilizan un mecanismo de rotación controlada.

Algunos ejemplos de topoisomerasas de tipo IA incluyen a la topo I y a la topo III. En el pasado las topoisomerasas de tipo IB eran frecuentemente referidas como topoisomerasa de tipo I eucariotica, pero las topoisomerasas de tipo IB se encuentran presentes en los tres dominios de la vida. Es interesante notar que las topoisomerasas de tipo IA forman un intermediario covalente con el extremo 5' de la simple hebra de ADN, mientras que las topoisomerasas de tipo IB lo hacen con el extremo 3'.

Recientemente se ha identificado un nuevo tipo de isomerasa I(IC), llamada topo V. Esta a pesar de que resulta totalmente diferente a las topoisomerasas IA y IB desde el punto de vista estructural, comparte similitudes con el mecanismo de las topoisomerasas IB:

• La Topoisomeras tipo II corta ambas hebras de la cadena de ADN, y pasa otra doble cadena intacta por el hueco formado en la ruptura. Estas también se dividen en dos subclases: tipo IIA y IIB, las cuales son similares en estructura y mecanismo. Ejemplos de topoisomerasas de tipo IIA incluyen a la topo II eucariótica, a la girasa de E. coli, y a la topo IV de E. coli. Un ejemplo de las toposiomerasas de tipo IIB sería la topo VI.

Topoisomerasa	IA	IB	IIA	IIB
Metal Dependientes	Si	No	Si	Si
ATP Dependientes	No	No	Si	Si
Ruptura de Simple (SS) o Doble (DS) hebra	SS	SS	DS	DS
Polaridad de Ruptura	5'	3'	5'	5'
Cambio en NE	±1	±N	±2	±2

Ambos tipos de topoisomerasas cambian el número de enlace (NE) del ADN. Las topoisomerasas de tipo IA cambian el numero de enlace en uno, los tipos IB y IC provocan un cambio en un entero, mientras que las topoisomerasas de tipo IIB y IIB provocan un cambio de dos en el numero de enlace.

Para un video de este proceso se puede consultar

http://www.youtube.com/watch?v=EYGrElVyHnU&feature=related

Bibliografía

• Gellert, M. 1981. DNA topoisomerases. Annu. Rev. Biochem. 50:879-910.
• Wang, J. C. 1982. DNA topoisomerases. Sci. Am. (July) 247:94-108.
• Watson, J. D., et al. 2006. Biología Molecular del Gen 5ª ed. Editorial Médica Panamericana. ISBN 84-7903-505-6

Referencias

1. ↑ ^{a b} Champoux JJ (2001). «DNA topoisomerases: structure, function, and mechanism». Annu. Rev. Biochem. 70:  pp. 369–413. doi:10.1146/annurev.biochem.70.1.369. PMID 11395412. 
2. ↑ «National Academy of Sciences: NAS Award in Molecular Biology». National Academy of Science. Consultado el 07-01-2009.
3. ↑ C.Michael Hogan. 2010. Deoxyribonucleic acid. Encyclopedia of Earth. National Council for Science and the Environment. eds. S.Draggan and C.Cleveland. Washington DC
4. ↑ Wang JC (April 1991). «DNA topoisomerases: why so many?». J. Biol. Chem. 266 (11):  pp. 6659–62. PMID 1849888. http://www.jbc.org/cgi/pmidlookup?view=long&pmid=1849888. 

• Pommier, Yves. «DNA topoisomerases and their poisoning by anticancer and antibacterial drugs», Chemistry & Biology, 28 de mayo de 2010. Consultado el 28 de mayo de 2010.

Lecturas adicionales

• James C. Wang (2009) Untangling the Double Helix. DNA Entanglement and the Action of the DNA Topoisomerases, Cold Spring Harbor Laboratory Press, Cold Spring Harbor, NY, 2009. 245 pp. ISBN 978-0-87969-879-9

Véase también

• Topología del ADN
• Superenrollamiento
• TOP1
• Topoisomerasa tipo II

Enlaces externos

• MeSH DNA+Topoisomerases