TOPOISOMÉRASES: CARACTÉRISTIQUES, FONCTIONS, TYPES ET INHIBITEURS - LA BIOLOGIE - 2024

Les topoisomérases sont des enzymes isomérases un type de modification de la topologie de l'acide désoxyribonucléique (ADN), générant à la fois son déroulement et son surenroulement comme sa boucle.

Ces enzymes ont un rôle spécifique dans le soulagement du stress de torsion dans l'ADN, de sorte que des processus importants tels que sa réplication, la transcription de l'ADN en acide ribonucléique messager (ARNm) et la recombinaison de l'ADN peuvent se produire.

Figure 1. Topoisomérase II. Source: Emw, de Wikimedia Commons

Les enzymes topoisomérases sont présentes à la fois dans les cellules eucaryotes et procaryotes. Son existence a été prédite par les scientifiques Watson et Crick, lors de l'évaluation des limitations que la structure de l'ADN présente pour permettre l'accès à ses informations (stockées dans sa séquence nucléotidique).

Pour comprendre les fonctions des topoisomérases, l'ADN doit être considéré comme ayant une structure à double hélice stable, avec ses brins enroulés les uns sur les autres.

Ces chaînes linéaires sont constituées de 2-désoxyribose lié par des liaisons phosphodiester 5'-3 ', et de bases azotées à l'intérieur, comme les échelons d'un escalier en colimaçon.

Figure 2. Molécule d'ADN. Source:

L'étude topologique des molécules d'ADN a montré qu'elles peuvent assumer différentes conformations dépendant de leur contrainte de torsion: d'un état relâché à différents états de bobinage permettant leur compactage.

Les molécules d'ADN avec différentes conformations sont appelées topoisomères. Ainsi, nous pouvons conclure que les topoisomérases I et II peuvent augmenter ou diminuer la contrainte de torsion des molécules d'ADN, formant leurs différents topoisomères.

Parmi les topoisomères d'ADN possibles, la conformation la plus courante est le supercoil, qui est très compact. Cependant, la double hélice d'ADN doit également être déroulée par des topoisomérases au cours de divers processus moléculaires.

caractéristiques

Mécanisme général d'action

Certaines topoisomérases ne peuvent relâcher que les super-enroulements négatifs d'ADN, ou les deux super-enroulements d'ADN: positifs et négatifs.

Si l'ADN circulaire double brin est déroulé sur son axe longitudinal et qu'un virage à gauche (dans le sens des aiguilles d'une montre) se produit, on dit qu'il est surenroulé négativement. Si le tour est dans le sens des aiguilles d'une montre (dans le sens inverse des aiguilles d'une montre), il est trop enroulé.

Figure 3. ADN double brin circulaire surenroulé négativement, détendu et surenroulé positivement. Source: Fdardel, de Wikimedia Commons

Fondamentalement, les topoisomérases peuvent:

-Faciliter le passage d'un brin d'ADN à travers une coupe dans le brin opposé (topoisomérase de type I).

-Faciliter le passage d'une double hélice complète à travers un clivage lui-même, ou à travers un clivage dans une autre double hélice différente (topoisomérase de type II).

En résumé, les topoisomérases agissent par le clivage des liaisons phosphodiester, dans un ou dans les deux brins qui composent l'ADN. Ils modifient ensuite l'état de bobinage des brins d'une double hélice (topoisomérase I) ou de deux doubles hélices (topoisomérase II), pour enfin nouer ou nouer à nouveau les extrémités clivées.

Topoisomérases et cycle cellulaire

Bien que la topoisomérase I soit une enzyme qui présente une activité plus élevée pendant la phase S (synthèse d'ADN), elle n'est pas considérée comme dépendante d'une phase du cycle cellulaire.

Alors que l'activité de la topoisomérase II est plus active pendant la phase logarithmique de la croissance cellulaire et dans les cellules de tumeurs à croissance rapide.

Caractéristiques

L'altération des gènes codant pour les topoisomérases est mortelle pour les cellules, ce qui témoigne de l'importance de ces enzymes. Parmi les processus auxquels participent les topoisomérases, on trouve:

Stockage compact du matériel génétique

Les topoisomérases facilitent le stockage des informations génétiques de manière compacte, car elles génèrent l'enroulement et le surenroulement d'ADN, permettant de trouver une grande quantité d'informations dans un volume relativement petit.

Accès à l'information génétique

Sans les topoisomérases et leurs caractéristiques uniques, l'accès aux informations stockées dans l'ADN serait impossible. Cela est dû au fait que les topoisomérases libèrent périodiquement la contrainte de torsion qui est générée dans la double hélice d'ADN, lors de son déroulement, dans les processus de réplication, de transcription et de recombinaison.

Figure 4. Réplication de l'ADN. Voir la topoisomérase au début de l'épingle à cheveux ADN. Source: LadyofHats traduit par Miguelsierra, via Wikimedia Commons

Si la contrainte de torsion générée au cours de ces processus n'est pas libérée, une expression génique défectueuse pourrait se produire, une interruption de l'ADN circulaire ou du chromosome, voire la mort cellulaire.

Régulation de l'expression génique

Les changements conformationnels (dans la structure tridimensionnelle) de la molécule d'ADN exposent des régions spécifiques à l'extérieur, qui peuvent interagir avec les protéines de liaison à l'ADN. Ces protéines ont une fonction régulatrice de l'expression génique (positive ou négative).

Figure 5. Protéine régulatrice de l'expression génique, dans ce cas elle empêche l'expression de certains gènes. Zephyris sur Wikipédia en anglais

Ainsi, l'état d'enroulement de l'ADN, généré par l'action des topoisomérases, affecte la régulation de l'expression génique.

Particularités de la topoisomérase II

La topoisomérase II est nécessaire pour l'assemblage des chromatides, la condensation et la décondensation des chromosomes, et la ségrégation des molécules d'ADN filles pendant la mitose.

Cette enzyme est également une protéine structurelle et l'un des principaux constituants de la matrice du noyau cellulaire pendant l'interphase.

Types de topoisomérases

Il existe deux principaux types de topoisomérases selon qu'elles sont capables de cliver un ou deux brins d'ADN.

-Topoisomérases de type I

Monomère

Les topoisomérases de type I sont des monomères qui atténuent les superenroulements négatifs et positifs, qui sont produits par le mouvement en épingle à cheveux pendant la transcription, et pendant les processus de réplication et de recombinaison génique.

Les topoisomérases de type I peuvent être subdivisées en type 1A et type 1B. Ces derniers sont ceux que l'on trouve chez l'homme et sont responsables de la relaxation de l'ADN superenroulé.

Tyrosine dans son site actif

La topoisomérase 1B (Top1B) est constituée de 765 acides aminés répartis en 4 domaines spécifiques. L'un de ces domaines a une zone hautement conservée contenant le site actif de la tyrosine (Tyr7233). Toutes les topoisomérases présentent une tyrosine dans leur site actif avec un rôle fondamental dans tout le processus catalytique.

Mécanisme d'action

La tyrosine du site actif forme une liaison covalente avec l'extrémité 3'-phosphate du brin d'ADN, la coupant et la maintenant attachée à l'enzyme, tandis qu'un autre brin d'ADN passe par le clivage.

Le passage de l'autre brin d'ADN à travers le brin divisé est réalisé grâce à une transformation conformationnelle de l'enzyme, qui produit l'ouverture de la double hélice d'ADN.

Ensuite, la topoisomérase I revient à sa conformation initiale et lie à nouveau les extrémités clivées. Cela se produit par un processus inverse de la décomposition de la chaîne d'ADN, au site catalytique de l'enzyme. Enfin, la topoisomérase libère le brin d'ADN.

Le taux de ligature de l'ADN est supérieur au taux d'excision, assurant ainsi la stabilité de la molécule et l'intégrité du génome.

En résumé, la topoisomérase de type I catalyse:

1. Le clivage d'un brin.
2. Le passage de l'autre brin à travers le clivage.
3. Ligature des extrémités clivées.

-Topoisomérases de type II

Dimérique

Les topoisomérases de type II sont des enzymes dimères, qui clivent les deux brins d'ADN, relaxant ainsi les superenroulements générés lors de la transcription et d'autres processus cellulaires.

Mg dépendant

Ces enzymes ont besoin de magnésium (Mg ⁺⁺) et ont également besoin de l'énergie qui provient de la rupture de la liaison ATP triphosphate, dont elles profitent grâce à une ATPase.

Deux sites actifs avec la tyrosine

Les topoisomérases humaines II sont très similaires à celles de la levure (Saccharomyces cerevisiae), qui est constituée de deux monomères (sous-fragments A et B). Chaque monomère a un domaine ATPase, et dans un sous-fragment le site actif tyrosine 782, auquel l'ADN peut se lier. Ainsi, deux brins d'ADN peuvent se lier à la topoisomérase II.

Mécanisme d'action

Le mécanisme d'action de la topoisomérase II est le même que celui décrit pour la topoisomérase I, étant donné que deux brins d'ADN sont séparés et pas un seul.

Au site actif de la topoisomérase II, un fragment d'ADN en double hélice, appelé «fragment G», est stabilisé (par liaison covalente avec la tyrosine). Ce fragment est excisé et maintenu ensemble au site actif par des liaisons covalentes.

L'enzyme permet alors à un autre fragment d'ADN, appelé «fragment T», de passer à travers le fragment clivé «G», grâce à un changement conformationnel de l'enzyme, qui dépend de l'hydrolyse de l'ATP.

La topoisomérase II lie les deux extrémités du "fragment G" et retrouve finalement son état initial, libérant le fragment "G". L'ADN détend alors la contrainte de torsion, permettant la réplication et la transcription de se produire.

-Topoisomérases humaines

Le génome humain possède cinq topoisomérases: top1, top3α, top3β (type I); et top2α, top2β (de type II). Les topoisomérases humaines les plus pertinentes sont top1 (topoisomérase de type IB) et 2α (topoisomérase de type II).

Inhibiteurs de la topoisomérase

-Topoisomérases comme cible d'attaque chimique

Puisque les processus catalysés par les topoisomérases sont nécessaires à la survie des cellules, ces enzymes sont une bonne cible d'attaque pour affecter les cellules malignes. Pour cette raison, les topoisomérases sont considérées comme importantes dans le traitement de nombreuses maladies humaines.

Les médicaments qui interagissent avec les topoisomérases sont actuellement largement étudiés en tant que substances chimiothérapeutiques contre les cellules cancéreuses (dans différents organes du corps) et les microorganismes pathogènes.

-Types d'inhibition

Les médicaments qui inhibent l'activité de la topoisomérase peuvent:

• Pris en sandwich dans l'ADN.
• Affecte l'enzyme topoisomérase.
• Intercaler dans une molécule proche du site actif de l'enzyme pendant que le complexe ADN-topoisomérase est stabilisé.

La stabilisation du complexe transitoire qui est formé par la liaison de l'ADN à la tyrosine du site catalytique de l'enzyme, empêche la liaison des fragments clivés, ce qui peut conduire à la mort cellulaire.

-Médicaments inhibiteurs de la topoisomérase

Parmi les composés qui inhibent les topoisomérases, on trouve les suivants.

Antibiotiques antitumoraux

Les antibiotiques sont utilisés contre le cancer, car ils empêchent la croissance des cellules tumorales, interférant généralement avec leur ADN. Ceux-ci sont souvent appelés antibiotiques antinéoplasiques (cancéreux). L'actinomycine D, par exemple, affecte la topoisomérase II et est utilisée dans les tumeurs de Wilms chez les enfants et les rhabdomyosarcomes.

Anthracyclines

Les anthracyclines sont parmi les antibiotiques, l'un des médicaments anticancéreux les plus efficaces et avec le spectre le plus large. Ils sont utilisés pour traiter le cancer du poumon, des ovaires, de l'utérus, de l'estomac, de la vessie, du sein, de la leucémie et des lymphomes. Il est connu pour affecter la topoisomérase II par intercalation dans l'ADN.

La première anthracycline isolée d'une actinobactérie (Streptomyces peucetius) était la daunorubicine. Par la suite, la doxorubicine a été synthétisée en laboratoire, et l'épirubicine et l'idarubicine sont également utilisées aujourd'hui.

Anthraquinones

Les anthraquinones ou anthracènediones sont des composés dérivés de l'anthracène, similaires aux anthracyclines, qui affectent l'activité de la topoisomérase II par intercalation dans l'ADN. Ils sont utilisés pour le cancer du sein métastatique, le lymphome non hodgkinien (LNH) et la leucémie.

Ces médicaments ont été trouvés dans les pigments de certains insectes, plantes (frangula, séné, rhubarbe), lichens et champignons; ainsi que dans la hoelite, qui est un minéral naturel. Selon votre dose, ils peuvent être cancérigènes.

Parmi ces composés, nous avons la mitoxantrone et son analogue, la losoxantrone. Ceux-ci empêchent la prolifération de cellules tumorales malignes, se liant à l'ADN de manière irréversible.

Épidophyllotoxines

Les podophyllotoxines, telles que les épidophyllotoxines (VP-16) et le téniposide (VM-26), forment un complexe avec la topoisomérase II. Ils sont utilisés contre le cancer du poumon, les testicules, la leucémie, les lymphomes, le cancer de l'ovaire, le carcinome du sein et les tumeurs intracrâniennes malignes, entre autres. Podophyllum notatum et P. peltatum sont isolés des plantes.

Analogues de camptothécine

Les campothécines sont des composés qui inhibent la topoisomérase I, notamment l'irinotécan, le topotécan et le diflomotécan.

Ces composés ont été utilisés contre le cancer du côlon, du poumon et du sein et sont obtenus naturellement à partir de l'écorce et des feuilles de l'espèce arboricole Camptotheca acuminata des cornácées chinoises et tibétaines.

Inhibition naturelle

Des altérations structurelles des topoisomérases I et II peuvent également se produire de manière totalement naturelle. Cela peut se produire lors de certains événements qui affectent votre processus catalytique.

Ces altérations comprennent la formation de dimères de pyrimidine, des mésappariements de bases azotées et d'autres événements causés par le stress oxydatif.

Références

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