トポイソメラーゼ：特性、機能、種類、阻害剤 - 生物学 - 2025

トポイソメラーゼは、酵素は、デオキシリボ核酸（DNA）のトポロジを変更する両方の巻き戻しを生成し、そのカールのようにスーパーコイルの種類をイソメラーゼです。

これらの酵素は、DNAのねじりストレスを緩和する特定の役割を果たし、その複製、メッセンジャーリボ核酸（mRNA）へのDNAの転写、DNAの組換えなどの重要なプロセスが発生します。

図1.トポイソメラーゼII。出典：Emw、Wikimedia Commons

トポイソメラーゼ酵素は、真核細胞と原核細胞の両方に存在します。その存在は、その情報へのアクセスを可能にするためにDNAの構造が提示した制限（ヌクレオチド配列に格納されている）を評価するときに、科学者ワトソンとクリックによって予測されました。

トポイソメラーゼの機能を理解するためには、DNAが安定した二重らせん構造を持ち、その鎖が交互に巻かれていることを考慮する必要があります。

これらの線状鎖は、5'-3 'ホスホジエステル結合で連結された2-デオキシリボースと、らせん階段の段のように内部の窒素含有塩基で構成されています。

図2. DNA分子。出典：https://es.m.wikipedia.org/wiki/Archivo:3DScience_DNA_structure_labeled_a.jpg

DNA分子のトポロジー研究は、それらがねじれ応力に依存してさまざまなコンフォメーションをとることができることを示しました：緩和状態からそれらの圧縮を可能にするさまざまなコイル状の状態まで。

コンフォメーションの異なるDNA分子はトポ異性体と呼ばれます。したがって、トポイソメラーゼIおよびIIは、DNA分子のねじり応力を増加または減少させ、異なるトポイソメラーゼを形成できると結論付けることができます。

考えられるDNAトポ異性体の中で、最も一般的なコンフォメーションは、非常にコンパクトなスーパーコイルです。ただし、DNA二重らせんは、さまざまな分子プロセス中にトポイソメラーゼによってほどかれる必要があります。

特徴

一般的な作用機序

一部のトポイソメラーゼは、DNAの負のスーパーコイルのみ、またはDNAの両方のスーパーコイル（正と負）を緩和できます。

環状の二本鎖DNAがその長軸でほどかれ、左回り（時計回り）に回転する場合、負のスーパーコイル状であると言われます。ターンが時計回り（反時計回り）の場合、正にオーバーコイルします。

図3.負のスーパーコイル、リラックス、正のスーパーコイルの環状二本鎖DNA。出典：ウィキメディア・コモンズのFdardel

基本的に、トポイソメラーゼは次のことができます。

-DNA鎖が反対側の鎖（I型トポイソメラーゼ）のカットを通過しやすくします。

-完全な二重らせんが切断自体を通過するか、別の異なる二重らせん（タイプIIトポイソメラーゼ）で切断されるようにします。

要約すると、トポイソメラーゼは、DNAを構成する一方または両方の鎖で、ホスホジエステル結合の切断を通じて作用します。次に、二重らせん（トポイソメラーゼI）または2つの二重らせん（トポイソメラーゼII）のストランドのコイリング状態を変更し、最終的に切断された末端を再び結合または結合します。

トポイソメラーゼと細胞周期

トポイソメラーゼIは、S期（DNA合成）中に高い活性を示す酵素ですが、細胞周期のフェーズに依存しているとは見なされていません。

一方、トポイソメラーゼII活性は、細胞増殖の対数期中および急速に増殖する腫瘍の細胞においてより活性です。

特徴

トポイソメラーゼをコードする遺伝子の変化は細胞にとって致命的であり、これらの酵素の重要性を証明しています。トポイソメラーゼが関与するプロセスには、次のものがあります。

遺伝物質のコンパクトな保管

トポイソメラーゼは、DNAのコイル化とスーパーコイル化を生成し、大量の情報を比較的少量で見つけることができるため、コンパクトな方法で遺伝情報の保存を容易にします。

遺伝情報へのアクセス

トポイソメラーゼとその独自の特性がなければ、DNAに保存されている情報にアクセスすることは不可能です。これは、トポイソメラーゼが、複製、転写、および組換えのプロセスにおいて、DNAのらせんに発生するねじり応力を、その巻き戻し中に定期的に解放するためです。

図4. DNA複製。DNAヘアピンの冒頭にあるトポイソメラーゼを参照してください。ソース：ミグエルシエラによって翻訳されたLadyofHats、Wikimedia Commons経由

これらのプロセス中に生成されたねじり応力が解放されない場合、遺伝子発現の欠陥が発生し、環状DNAまたは染色体の中断が起こり、さらには細胞死を引き起こす可能性があります。

遺伝子発現の調節

DNA分子の立体構造の変化により、特定の領域が外部に露出し、DNA結合タンパク質と相互作用します。これらのタンパク質は、遺伝子発現の調節機能（陽性または陰性）を持っています。

図5.遺伝子発現の調節タンパク質。この場合、特定の遺伝子の発現を妨げます。英語版ウィキペディアのゼフィリス

したがって、トポイソメラーゼの作用によって生成されるDNAのコイル状の状態は、遺伝子発現の調節に影響を与えます。

トポイソメラーゼIIの詳細

トポイソメラーゼIIは、染色体の集合、染色体の凝縮と脱凝縮、および有糸分裂中の娘DNA分子の分離に必要です。

この酵素はまた、構造タンパク質であり、間期の細胞核マトリックスの主要成分の1つです。

トポイソメラーゼの種類

DNAの1本または2本の鎖を切断できるかどうかに応じて、2つの主なタイプのトポイソメラーゼがあります。

-トポイソメラーゼI型

単量体

I型トポイソメラーゼは、転写中、および複製と遺伝子組換えプロセス中にヘアピンの動きによって生成される負および正のスーパーコイルを軽減するモノマーです。

I型トポイソメラーゼは、1A型と1B型に細分することができます。後者は人間に見られるもので、スーパーコイルDNAをリラックスさせる役割があります。

その活性部位のチロシン

トポイソメラーゼ1B（Top1B）は、765個のアミノ酸で構成され、4つの特定のドメインに分かれています。これらのドメインの1つには、チロシン活性部位（Tyr7233）を含む高度に保存された領域があります。すべてのトポイソメラーゼは、その活性部位にチロシンを提示し、触媒プロセス全体において基本的な役割を果たします。

作用機序

活性部位のチロシンは、DNA鎖の3'-リン酸末端と共有結合を形成し、切断して酵素に結合したまま保持しますが、別のDNA鎖は切断を通過します。

他のDNA鎖がスプリット鎖を通過するのは、DNA二重らせんの開口部を生成する酵素の構造変換のおかげです。

その後、トポイソメラーゼIは最初の構造に戻り、切断された末端を再び結合します。これは、酵素の触媒部位でのDNA鎖の分解とは逆のプロセスによって発生します。最後に、トポイソメラーゼはDNA鎖を解放します。

DNAライゲーションの速度は切除速度よりも高いため、分子の安定性とゲノムの完全性が保証されます。

要約すると、I型トポイソメラーゼは次の触媒作用を示します：

1. 鎖の切断。
2. 他の鎖が切断を通過すること。
3. 切断された末端のライゲーション。

-タイプIIトポイソメラーゼ

二量体

II型トポイソメラーゼは、DNAの両方の鎖を切断する二量体酵素で、転写や他の細胞プロセス中に生成されるスーパーコイルをリラックスさせます。

Mg依存

これらの酵素はマグネシウム（Mg ⁺⁺）を必要とし、またATPaseのおかげでそれらを利用するATP三リン酸結合の破壊から生じるエネルギーを必要とします。

チロシンの2つのアクティブなサイト

ヒトトポイソメラーゼIIは、2つのモノマー（サブフラグメントAおよびB）で構成される酵母（Saccharomyces cerevisiae）のものと非常に似ています。各モノマーにはATPaseドメインがあり、サブフラグメントには、DNAが結合できる活性部位チロシン782があります。したがって、DNAの2本の鎖がトポイソメラーゼIIに結合することができます。

作用機序

トポイソメラーゼIIの作用メカニズムは、トポイソメラーゼIについて説明したメカニズムと同じです。

トポイソメラーゼIIの活性部位では、「フラグメントG」と呼ばれるDNAの二重らせんフラグメントが安定化されます（チロシンとの共有結合により）。この断片は切除され、共有結合により活性部位に結合されます。

次に、酵素は、「Tフラグメント」と呼ばれる別のDNAフラグメントが、ATPの加水分解に依存する酵素の構造変化のおかげで、切断されたフラグメント「G」を通過できるようにします。

トポイソメラーゼIIは、「Gフラグメント」の2つの末端を結合し、最終的にその初期状態を回復して、「G」フラグメントを解放します。次に、DNAはねじり応力を緩和し、複製と転写を可能にします。

-ヒトトポイソメラーゼ

ヒトのゲノムには5つのトポイソメラーゼがあります：top1、top3α、top3β（タイプI）。およびtop2α、top2β（タイプII）。最も関連性の高いヒトのトポイソメラーゼは、top1（タイプIBトポイソメラーゼ）および2α（タイプIIトポイソメラーゼ）です。

トポイソメラーゼ阻害剤

-化学攻撃の標的としてのトポイソメラーゼ

トポイソメラーゼによって触媒されるプロセスは細胞の生存に必要であるため、これらの酵素は悪性細胞に影響を与える攻撃の良い標的です。このため、トポイソメラーゼは多くの人間の病気の治療において重要であると考えられています。

トポイソメラーゼと相互作用する薬物は、現在、癌細胞（体のさまざまな器官にある）および病原微生物に対する化学療法物質として広く研究されています。

-阻害の種類

トポイソメラーゼ活性を阻害する薬剤は、

• DNAに挟まれています。
• 酵素トポイソメラーゼに影響を与えます。
• DNA-トポイソメラーゼ複合体が安定している間、酵素の活性部位に近い分子に挿入します。

酵素の触媒部位のチロシンへのDNAの結合によって形成される一時的な複合体の安定化は、細胞死につながる可能性がある切断されたフラグメントの結合を防ぎます。

-トポイソメラーゼ阻害薬

トポイソメラーゼを阻害する化合物には、以下のものがあります。

抗腫瘍抗生物質

抗生物質は腫瘍細胞の増殖を防ぎ、通常はDNAを妨害するため、癌に対して使用されます。これらはしばしば抗腫瘍性（癌）抗生物質と呼ばれます。たとえば、アクチノマイシンDはトポイソメラーゼIIに影響を与え、子供や横紋筋肉腫のウィルムス腫瘍に使用されます。

アントラサイクリン

アントラサイクリンは抗生物質の1つであり、最も効果的な抗癌剤の1つであり、スペクトルが最も広い。それらは、肺、卵巣、子宮、胃、膀胱、乳房、白血病、およびリンパ腫の癌を治療するために使用されます。DNAへのインターカレーションによってトポイソメラーゼIIに影響を与えることが知られています。

放線菌（Streptomyces peucetius）から分離された最初のアントラサイクリンは、ダウノルビシンでした。その後、ドキソルビシンが研究室で合成され、今日ではエピルビシンとイダルビシンも使用されています。

アントラキノン

アントラキノンまたはアントラセンジオンは、アントラサイクリンと同様に、アントラセンに由来する化合物であり、DNAへのインターカレーションによってトポイソメラーゼII活性に影響を与えます。転移性乳がん、非ホジキンリンパ腫（NHL）、白血病に使用されます。

これらの薬は、いくつかの昆虫、植物（フラングラ、センナ、ルバーブ）、苔癬、菌類の色素に含まれていました。天然鉱物であるホーライトでも同様です。線量によっては、発がん性を示す場合があります。

これらの化合物の中には、ミトキサントロンとその類似物であるロゾキサントロンがあります。これらは悪性腫瘍細胞の増殖を防ぎ、不可逆的にDNAに結合します。

エピドフィロトキシン

エピドフィロトキシン（VP-16）やテニポシド（VM-26）などのポドフィロトキシンは、トポイソメラーゼIIと複合体を形成します。それらは、とりわけ、肺癌、精巣、白血病、リンパ腫、卵巣癌、乳癌、および悪性頭蓋内腫瘍に対して使用されます。Podophyllum notatumとP. peltatumは植物から分離されます。

カンプトテシン類似体

カンポテシンは、イリノテカン、トポテカン、ジフロモテカンなどのトポイソメラーゼIを阻害する化合物です。

これらの化合物は結腸癌、肺癌、乳癌に対して使用されており、中国およびチベットの角質の樹木種Camptotheca acuminataの樹皮および葉から自然に得られます。

自然な抑制

トポイソメラーゼIおよびIIの構造変化も完全に自然に起こります。これは、触媒プロセスに影響するいくつかのイベント中に発生する可能性があります。

これらの変化には、ピリミジン二量体の形成、窒素塩基のミスマッチ、および酸化ストレスによって引き起こされる他のイベントが含まれます。

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