Στόχευση της DNA γυράσης και της τοποϊσομεράσης IV

Οι φθοριοκινολόνες οφείλουν την βακτηριοκτόνο δράση τους σε δύο βακτηριακά ένζυμα: την DNA γυράση, η οποία εισάγει αρνητικές υπερσπειρώσεις μπροστά από τον διχαλωτό βραχίονα αντιγραφής, και την τοποϊσομεράση IV, η οποία διαχωρίζει (αποκατατενώνει) τα θυγατρικά χρωμοσώματα μετά την αντιγραφή. Και τα δύο είναι τοποϊσομεράσες τύπου ΙΙ που κόβουν και επανασυνδέουν το δίκλωνο DNA, και και τα δύο απουσιάζουν σε αυτήν την ακριβή μορφή στα ανθρώπινα κύτταρα, καθιστώντας τα εκλεκτικούς αντιβακτηριακούς στόχους.

Definition

Η DNA γυράση και η τοποϊσομεράση IV είναι απαραίτητες βακτηριακές τοποϊσομεράσες τύπου ΙΙ που περνούν ένα δίκλωνο DNA μέσω μιας παροδικής διπλής θραύσης σε ένα άλλο· η στόχευση από φθοριοκινολόνες αναφέρεται στη δέσμευση του φαρμάκου που σταθεροποιεί αυτά τα ένζυμα σε κομμένο DNA, εμποδίζοντας την αντιγραφή και σκοτώνοντας το βακτήριο.

Scope

Η καταχώρηση περιγράφει τους δύο στόχους τύπου ΙΙ τοποϊσομεράσης των φθοριοκινολονών, πώς οι υπερσπειρώσεις και η αποκατατένωση τα καθιστούν απαραίτητα, πώς τα φάρμακα τα παγιδεύουν σε κομμένο DNA, τη βάση της εκλεκτικότητας έναντι των ανθρώπινων τοποϊσομερασών και πώς οι μεταλλάξεις στόχοι προκαλούν αντοχή. Είναι εκπαιδευτικού χαρακτήρα αναφορά, όχι θεραπευτική οδηγία.

Core questions

• Ποιοι διακριτοί κυτταρικοί ρόλοι παίζουν η DNA γυράση και η τοποϊσομεράση IV;
• Γιατί η γυράση είναι συχνά ο κύριος στόχος στα Gram-αρνητικά βακτήρια και η τοποϊσομεράση IV σε πολλά Gram-θετικά βακτήρια;
• Πώς η παγίδευση μιας τοποϊσομεράσης τύπου ΙΙ σε κομμένο DNA παράγει θανατηφόρα βλάβη;
• Πώς οι μεταλλάξεις στα gyrA/gyrB και parC/parE παράγουν αντοχή βάσει στόχου;

Key concepts

• DNA γυράση (αρνητική υπερσπείρωση)
• Τοποϊσομεράση IV (αποκατατένωση)
• Διέλευση δίκλωνου DNA από τοποϊσομεράση τύπου ΙΙ
• Περιοχή καθορισμού της κινόλον-αντοχής (Quinolone-resistance-determining region - QRDR)
• Κύριος έναντι δευτερεύοντος στόχου
• Εκλεκτική τοξικότητα έναντι της ανθρώπινης τοποϊσομεράσης II
• Μεταλλάξεις gyrA/gyrB και parC/parE

Mechanisms

Οι τοποϊσομεράσες τύπου ΙΙ ανακουφίζουν και διαχειρίζονται την τοπολογία του DNA κάνοντας μια παροδική διπλή θραύση σε ένα δίκλωνο, περνώντας ένα δεύτερο δίκλωνο μέσα από αυτό, και επανασυνδέοντας τη θραύση. Η DNA γυράση εισάγει μοναδικά αρνητικές υπερσπειρώσεις απαραίτητες για την αντιγραφή και τη μεταγραφή, ενώ η τοποϊσομεράση IV κυρίως αποκατατενώνει τα αλληλοσυνδεδεμένα θυγατρικά χρωμοσώματα ώστε να ολοκληρωθεί η κυτταρική διαίρεση (Drlica & Zhao, 1997). Οι φθοριοκινολόνες δεσμεύουν το σύμπλεγμα ενζύμου-DNA στην κομμένη του κατάσταση, σταθεροποιώντας το και μετατρέποντας το απαραίτητο ένζυμο σε γεννήτρια διπλών θραύσεων· αυτή η «δηλητηρίαση της τοποϊσομεράσης» είναι μηχανιστικά παράλληλη με τον τρόπο που ορισμένα αντικαρκινικά φάρμακα δηλητηριάζουν τις ανθρώπινες τοποϊσομεράσες, αν και τα βακτηριακά ένζυμα διαφέρουν αρκετά ώστε να επιτρέπουν την εκλεκτικότητα (Pommier et al., 2010). Ποιο ένζυμο είναι ο κύριος θανατηφόρος στόχος ποικίλλει ανάλογα με τον οργανισμό και το φάρμακο, βοηθώντας στην εξήγηση των διαφορών στο φάσμα δράσης. Μεταλλάξεις συγκεντρωμένες στις περιοχές καθορισμού της κινόλον-αντοχής των gyrA/gyrB και parC/parE μειώνουν τη δέσμευση του φαρμάκου και αποτελούν κύρια αιτία αντοχής (Ruiz, 2003; Hooper, 1999).

Clinical relevance

Επειδή η γυράση και η τοποϊσομεράση IV είναι απαραίτητες και δομικά διακριτές από τις ανθρώπινες τοποϊσομεράσες, παρέχουν τη βάση της εκλεκτικότητας για τη φθοριοκινολονική αντιβακτηριακή δράση, και οι μεταλλάξεις στόχοι εξηγούν μεγάλο μέρος της κλινικά παρατηρούμενης αντοχής. Αυτό είναι μηχανιστικό υπόβαθρο για την κατανόηση της κατηγορίας και της αντοχής· δεν αποτελεί θεραπευτική ή συνταγογραφική συμβουλή.

Evidence & guidelines

Η ενζυμολογία και το μοντέλο διπλού στόχου παρουσιάζονται σε θεμελιώδεις ανασκοπήσεις (Drlica & Zhao, 1997), το πλαίσιο της δηλητηρίασης της τοποϊσομεράσης σε συγκριτικές ανασκοπήσεις που καλύπτουν αντιβακτηριακούς και αντικαρκινικούς παράγοντες (Pommier et al., 2010), και οι μηχανισμοί αντοχής σε εξειδικευμένες ανασκοπήσεις (Ruiz, 2003; Hooper, 1999). Αυτές είναι μηχανιστικές αναφορές, όχι κλινικές οδηγίες.

History

Η DNA γυράση ταυτοποιήθηκε στα μέσα της δεκαετίας του 1970 ως το ένζυμο που υπερσπειρώνει το DNA και σύντομα αναγνωρίστηκε ως ο στόχος της ναλιδιξικής οξέος και των διαδόχων της. Η τοποϊσομεράση IV χαρακτηρίστηκε αργότερα και αποδείχθηκε ότι είναι ένας δεύτερος στόχος των κινολονών, βελτιώνοντας την εικόνα του μοναδικού στόχου στο μοντέλο διπλού στόχου που πλέον πλαισιώνει τη φαρμακολογία και την αντοχή των φθοριοκινολονών.

Key figures

• Karl Drlica
• Yves Pommier
• David C. Hooper
• Joaquim Ruiz

Seminal works

• drlica-zhao-1997
• pommier-2010

Frequently asked questions

Ποια είναι η διαφορά μεταξύ της DNA γυράσης και της τοποϊσομεράσης IV;

Και οι δύο είναι βακτηριακές τοποϊσομεράσες τύπου ΙΙ, αλλά η γυράση κυρίως εισάγει αρνητικές υπερσπειρώσεις για να βοηθήσει την αντιγραφή και τη μεταγραφή, ενώ η τοποϊσομεράση IV κυρίως διαχωρίζει τα αλληλοσυνδεδεμένα θυγατρικά χρωμοσώματα μετά την αντιγραφή. Οι φθοριοκινολόνες μπορούν να δράσουν και στις δύο.

Γιατί οι φθοριοκινολόνες δεν δηλητηριάζουν εξίσου τις ανθρώπινες τοποϊσομεράσες;

Τα ανθρώπινα κύτταρα χρησιμοποιούν σχετικές τοποϊσομεράσες τύπου ΙΙ, αλλά τα βακτηριακά ένζυμα διαφέρουν αρκετά στη δομή τους ώστε οι φθοριοκινολόνες να δεσμεύονται σε αυτά πολύ πιο έντονα, παρέχοντας την εκλεκτικότητα που υποκρύπτει την αντιβακτηριακή τους δράση. Αυτή η εκλεκτικότητα είναι σχετική, όχι απόλυτη.