Topoisomerasen

Topisomerasen sind eine Klasse von Zellkern-Enzymen, die an der Regulation der DNA-Supercoiling beteiligt sind. Sie gehören zu den Isomerasen. DNA-Moleküle sind in der Lage sich im Raum zu wickeln und zu biegen, was auf Grund ihrer helikalen Struktur zu Änderungen der Topologie führt und zur Bildung negativer oder positiver Superspulen.

Man unterscheidet zwei übergeordnete Klassen:

• Typ I Topoisomerasen (Unterklassen Topoisomerase I & III)
• Typ II Topoisomerase (bei Eukaryoten = Topoisomerasen II & IV; bei Bakterien entspricht der TYP II-Topisomerase dem Enzym Gyrase).

Topisomerasen kontrollieren und erhalten die räumliche Anordnung (Topologie) der DNA-Doppelstränge im Verlauf der Replikation. Sie überführen superhelikale DNA in entspannte DNA, indem sie einen (Typ I Topoisomerase) oder beide DNA-Stränge (Typ II Topisomerasen) vorübergehend spalten und schaffen so die Voraussetzung für das Ablesen, also die Transkription, der DNA.

Bei der DNA-Replikation (S-Phase) verhindert eine starke Verdrillung (Supercoiling)  des DNA-Doppelstranges und der damit verbundenen Spannung vor der Replikationsgabel (superhelikale DNA), die Anlagerung der DNA-Polymerasen, die für die Synthese des Tochterstranges notwendig ist.

Topoisomerasen vom Typ I (Unterklassen Topoisomerase I & III) relaxieren die DNA, überführen eine superhelikale DNA in eine entspannte DNA,  indem Sie einen Strang der Duplex-DNA reversibel spalten. Dadurch wird die Voraussetzung für das Ablesen, also die Transkription der DNA geschaffen. Nach erfolgreicher DNA-Replikation wird der DNA-Bruch wieder geschlossen. Danach entfernen die Topoisomerasen I & IV die negative Abweichungen des Verwindungszustandes und stellen so den physiologischen Urzustand wieder her.

Die Topisomerasen vom Typ I spalten reversibel stets nur einen Strang der DNA. Hingegen sind die Topisomerasen vom Typ II in der Lage, ATP-abhängig beide DNA-Stränge zu trennen.

Antibiotische Wirkung von Toposiomerase-Hemmer

• Topoisomerasen sind der Ansatzpunkt einiger Arzneistoffe. Die bakteriellen Topoisomerasen vom Typ I (prokaryotische Topoisomerasen I) können ausschließlich eine negative Superspiralisierung der DNA entspannen. Sie benötigen Magnesiumionen für ihre Aktivität. Prokaryotische Topoisomerasen vom Typ I binden mittels einer Phosphotyrosinbindung kovalent an das 5'-Ende des Strangbruches. Dies konserviert die Energie der gespaltenen Bindung und ermöglicht es, die beiden Enden nach der Topoisomerisierung wieder zu verbinden. Für ihre Tätigkeit benötigt das Enzym keine Energie in Form von ATP. Topoisomerasen vom Typ I werden durch Chinolone (Gyrasehemmer) blockiert. Dies erklärt die antibakterielle Wirkung dieser Substanzgruppe.

Zytostatische Wirkung von Toposiomerase-Hemmer

• Verschiedene Tumoren sind durch eine erhöhte Topisomerase-Aktivität gekennzeichnet, weshalb Topisomerase-Hemmstoffe als Zytostatika wirksam sein können. Sie zeigen dabei eine gewisse Tumorselektivität (z.B. bei Ovarialkarzinom, kleinzelligem Bronchialkarzinom, kolorektalem Karzinom u.a.). Typ-I-Topomerasen-Hemmer sind z.B. die Arzneimittel:
  • Irinotecan und Topotecan
• Typ-II-Topomerasen-Hemmer sind:
  • Etoposid, Teniposid oder Doxorubicin.

1. Lima CD et al. (1994) Three-dimensional structure of the 67K N-terminal fragment of E. coli DNA topoisomerase I. Nature 367:138-145.
2. Wang JC (1991). DNA topoisomerases: why so many? Journal of Biological Chemistry 266:6659-6662.
3. Yu L et al. (1995) Solution structure of the C-terminal single-stranded DNA-binding domain of E. coli topoisomerase I. Biochemistry 34:7622-7628.