Topoisomerasas tipo I
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En biología molecular, las topoisomerasas de tipo I son un grupo de enzimas que modifican el estado topológico del ADN bicatenario mediante el corte transitorio de una de las dos hebras, permitiendo su relajación y posterior re-ligación.[1] Se subdividen en dos clases estructural y mecánicamente distintas: tipo IA y tipo IB, a las que se ha añadido recientemente un tercer tipo, el tipo IC.
Históricamente, las topoisomerasas de tipo IA se denominaban "topo I procarióticas", mientras que las de tipo IB se consideraban "topoisomerasas eucariotas". Esta distinción ha quedado obsoleta, ya que ambos tipos están presentes en los tres dominios de la vida (Bacteria, Archaea y Eukarya).[2]
Funcionalmente, estas subclases realizan cometidos especializados:
- La topoisomerasa I procariota (tipo IA) solo puede relajar ADN con superenrollamiento negativo.
- La topoisomerasa I eucariota (tipo IB) puede relajar tanto superenrollamiento negativo como positivo; esta última capacidad es esencial para separar las cadenas de ADN hijo tras la replicación.
Las topoisomerasas de tipo I participan en múltiples procesos celulares fundamentales:[2][1]
- Eliminación de las tensiones topológicas (superenrollamientos) generadas durante la transcripción y la replicación del ADN.
- Facilitación de la rotura y reunión de cadenas durante procesos de recombinación genética.
- Contribución a la condensación y segregación cromosómica durante la mitosis.
- Desenredo de moléculas de ADN entrelazadas (catenanos) tras la replicación.
Estructura general del dominio
El dominio característico de las topoisomerasas de tipo IA presenta un pliegue mixto con la topología β(2)-α-β-α-β(2), que incluye un cruce de hebras beta de tipo zurdo entre las cadenas β2 y β3. Cuatro hebras beta entrecruzadas están rodeadas por cuatro hélices alfa dispuestas en una conformación similar a un pliegue de Rossmann.[3]
Mecanismo general de acción
Las topoisomerasas de tipo I son, con una única excepción (la girasa inversa), enzimas independientes de ATP. Actúan regulando el número de enlaces topológicos (número de enlace) entre las dos hebras del ADN mediante la catalización de roturas transitorias, el paso de hebras a través de la rotura y el posterior cierre de esta.[4]
- Las tipo IA modifican el número de enlace en unidades estrictamente de 1.
- Las tipo IB lo modifican en múltiplos de 1 (es decir, pueden introducir o eliminar varios superenrollamientos en un solo ciclo).
Clasificación detallada
Las topoisomerasas de ADN se dividen en dos grandes clases atendiendo al número de hebras que rompen:[5]
- Tipo I (EC 5.99.1.2): rompen una sola hebra. Incluyen las topoisomerasas I, III y V.
- Tipo II (EC 5.99.1.3): rompen las dos hebras. Incluyen las topoisomerasas II, IV y VI.
Dentro del tipo I se distinguen tres subclases:
Topoisomerasas tipo IA
Características generales
Las topoisomerasas de tipo IA, identificadas inicialmente en procariotas, crean una rotura transitoria en una hebra de ADN y pasan a través de ella una segunda hebra (o un dúplex completo). Este mecanismo de "paso de cadena" comparte similitudes con el de las topoisomerasas de tipo IIA: ambas forman un intermediario covalente de fosfotirosina 5' y requieren un catión divalente (como Mg²⁺) para su actividad. Con la excepción de la girasa inversa, no consumen ATP.
Estructura
Constan de varios dominios (numerados convencionalmente del I al IV):
- Dominio I: contiene el motivo Toprim (un pliegue de Rossmann que coordina iones metálicos).
- Dominio III: contiene un motivo de hélice-giro-hélice (HTH) donde reside la tirosina catalítica.
- Dominio IV: también con un motivo HTH.
- Dominio II: actúa como un puente flexible entre los dominios III y IV.
El conjunto adopta una conformación de "cerradura", con los dominios I, III y IV formando la base.[6] La estructura de Topo III unida a ADN monocatenario[7] (PDB 1I7D) muestra cómo los dominios HTH y Toprim se coordinan sobre el ácido nucleico.
Variantes
- Topo I y Topo III: Esta última contiene motivos adicionales de unión a zinc que facilitan la interacción con ADN monocatenario. Topo III se asocia con la helicasa BLM (implicada en el síndrome de Bloom) durante procesos de recombinación.
- Girasa inversa: Es la única topoisomerasa tipo IA que consume ATP. Posee un dominio ATPasa adicional, similar al dominio de la helicasa del factor de transcripción Rho. Se encuentra en organismos hipertermófilos, donde introduce superenrollamientos positivos en el ADN, estabilizándolo frente a la desnaturalización térmica.[8]
Mecanismo de acción
Opera mediante un mecanismo de "puerta única": 1. El ADN monocatenario se une a los dominios III y I. 2. La tirosina catalítica escinde el esqueleto, formando un intermediario 5'-fosfotirosina. 3. La ruptura se abre gracias a la flexibilidad del dominio II (actuando como bisagra). 4. Una segunda hebra (o dúplex) pasa a través de la abertura. 5. El dominio III vuelve a su posición original y se religa la hebra rota.
Topoisomerasas tipo IB
Características generales
A diferencia del tipo IA, las topoisomerasas de tipo IB resuelven el superenrollamiento (tanto positivo como negativo) mediante un mecanismo de rotación controlada ("swiveling"). La enzima se une al ADN, crea una rotura y permite que el extremo liberado gire alrededor de la hebra intacta, relajando la tensión antes de la religación.
Estructura
La estructura de Topo IB unida a ADN se ha resuelto (PDB 1A36). Consta de:
- Un dominio N-terminal (NTD)
- Un lóbulo de protección
- Un lóbulo catalítico
- Un dominio C-terminal (CTD)
Los lóbulos de protección y catalítico envuelven al ADN, creando un entorno que controla la rotación.
Mecanismo de acción
1. La enzima rodea el ADN y la tirosina catalítica escinde una hebra, formando un intermediario covalente de 3'-fosfotirosina. 2. El extremo 5' liberado puede girar libremente alrededor de la hebra complementaria, impulsado por la torsión acumulada en el ADN (no requiere ATP). 3. La religación ocurre de forma estocástica cuando el extremo 5'-OH se aproxima al sitio activo. Experimentos de moléculas individuales muestran que no hay un "contador" de vueltas; la religación es un proceso aleatorio.
Originalmente identificadas en eucariotas y virus, la topoisomerasa I viral (como la del virus vaccinia) es particularmente interesante porque se une al ADN con especificidad de secuencia. Para más detalles sobre la isoforma humana, véase TOP1.
Topoisomerasas tipo IC
Se ha identificado un tercer tipo de topoisomerasa I, denominada topo V, en la arquea hipertermófila Methanopyrus kandleri. Hasta la fecha, es el único miembro conocido del tipo IC, aunque se ha sugerido un posible origen viral.[9]
La estructura cristalina de topo V ha sido resuelta.[10] Funcionalmente, emplea un mecanismo de rotación controlada similar al del tipo IB (formando también un intermediario 3'-fosfotirosina), pero su pliegue tridimensional es único y no está relacionado evolutivamente con los otros dos tipos.[11] (Véanse las estructuras PDB 2CSB y 2CSD).
Intermediarios de reacción
Todas las topoisomerasas forman un intermediario covalente de tipo fosfotirosina entre el residuo de tirosina catalítico y el fosfato del esqueleto del ADN:
- Tipo IA: enlace 5'-fosfotirosina.
- Tipo IB: enlace 3'-fosfotirosina.
- Tipo IC: enlace 3'-fosfotirosina.
Este intermediario es isoenergético: la energía de la reacción de corte es equivalente a la de la reacción de religación, por lo que el proceso no requiere un aporte energético externo (como ATP).
Inhibición farmacológica
Las topoisomerasas son dianas terapéuticas de gran interés en quimioterapia contra el cáncer. La topoisomerasa I humana es inhibida por:
- Camptotecina y sus derivados semisintéticos:
- Irinotecán (y su metabolito activo SN-38)
- Topotecán
Estos fármacos actúan como venenos de topoisomerasa: estabilizan el intermediario covalente (el complejo de escisión Top1cc), impidiendo la religación y convirtiendo a la enzima en una fuente de daño genotóxico. En el caso del SN-38, el atrapamiento es especialmente eficaz cuando hay una guanina en la posición +1 de la secuencia de ADN escindida.[12]
Letalidad sintética
La inhibición de TOP1 es sintéticamente letal con la deficiencia de ciertos genes de reparación del ADN. Esto significa que las células tumorales con estas deficiencias son especialmente sensibles a los inhibidores de topoisomerasa I, abriendo una ventana terapéutica. Se ha observado en:
