Orientación a la ADN girasa y la topoisomerasa IV

Las fluoroquinolonas deben su actividad bactericida a dos enzimas bacterianas: la ADN girasa, que introduce superenrollamientos negativos por delante de la horquilla de replicación, y la topoisomerasa IV, que separa (decatenata) los cromosomas hijos después de la replicación. Ambas son topoisomerasas de tipo II que cortan y vuelven a sellar el ADN de doble cadena, y ambas están ausentes en esta forma exacta en las células humanas, lo que las convierte en objetivos antibacterianos selectivos.

Definition

La ADN girasa y la topoisomerasa IV son topoisomerasas de tipo II bacterianas esenciales que pasan un dúplex de ADN a través de una rotura transitoria de doble cadena en otro; la orientación a las fluoroquinolonas se refiere a la unión del fármaco que estabiliza estas enzimas en el ADN escindido, bloqueando la replicación y matando a la bacteria.

Scope

La entrada describe los dos objetivos de topoisomerasa de tipo II de las fluoroquinolonas, cómo el superenrollamiento y la decatenación los hacen esenciales, cómo los fármacos los atrapan en el ADN escindido, la base de la selectividad sobre las topoisomerasas humanas y cómo las mutaciones en el objetivo confieren resistencia. Es de carácter educativo-referencial, no una guía de prescripción.

Core questions

• ¿Qué funciones celulares distintas desempeñan la ADN girasa y la topoisomerasa IV?
• ¿Por qué la girasa es a menudo el objetivo principal en bacterias Gram-negativas y la topoisomerasa IV en muchas bacterias Gram-positivas?
• ¿Cómo el atrapamiento de una topoisomerasa de tipo II en el ADN escindido produce daño letal?
• ¿Cómo las mutaciones en gyrA/gyrB y parC/parE producen resistencia basada en el objetivo?

Key concepts

• ADN girasa (superenrollamiento negativo)
• Topoisomerasa IV (decatenación)
• Paso de doble cadena de la topoisomerasa de tipo II
• Región determinante de la resistencia a las quinolonas (QRDR)
• Objetivo primario versus secundario
• Toxicidad selectiva sobre la topoisomerasa II humana
• Mutaciones gyrA/gyrB y parC/parE

Mechanisms

Las topoisomerasas de tipo II alivian y gestionan la topología del ADN realizando una rotura transitoria de doble cadena en un dúplex, pasando un segundo dúplex a través de ella y volviendo a sellar la rotura. La ADN girasa introduce de forma única los superenrollamientos negativos necesarios para la replicación y la transcripción, mientras que la topoisomerasa IV decatena principalmente los cromosomas hijos interconectados para que la división celular pueda completarse (Drlica & Zhao, 1997). Las fluoroquinolonas se unen al complejo enzima-ADN en su estado escindido, estabilizándolo y convirtiendo la enzima esencial en un generador de roturas de doble cadena; este 'envenenamiento de la topoisomerasa' es mecánicamente paralelo a cómo ciertos fármacos anticancerígenos envenenan las topoisomerasas humanas, aunque las enzimas bacterianas difieren lo suficiente como para permitir la selectividad (Pommier et al., 2010). Qué enzima es el objetivo letal principal varía según el organismo y el fármaco, lo que ayuda a explicar las diferencias en el espectro. Las mutaciones agrupadas en las regiones determinantes de la resistencia a las quinolonas (QRDR) de gyrA/gyrB y parC/parE reducen la unión del fármaco y son una causa principal de resistencia (Ruiz, 2003; Hooper, 1999).

Clinical relevance

Debido a que la girasa y la topoisomerasa IV son esenciales y estructuralmente distintas de las topoisomerasas humanas, proporcionan la base selectiva para la acción antibacteriana de las fluoroquinolonas, y las mutaciones en el objetivo explican gran parte de la resistencia observada clínicamente. Esto constituye el trasfondo mecanicista para comprender la clase y la resistencia; no es un consejo de tratamiento o prescripción.

Evidence & guidelines

La enzimología y el modelo de doble objetivo se exponen en revisiones fundamentales (Drlica & Zhao, 1997), el marco de envenenamiento de la topoisomerasa en revisiones comparativas que abarcan agentes antibacterianos y anticancerígenos (Pommier et al., 2010), y los mecanismos de resistencia en revisiones dedicadas (Ruiz, 2003; Hooper, 1999). Estas son referencias mecanicistas, no guías clínicas.

History

La ADN girasa fue identificada a mediados de la década de 1970 como la enzima que superenrolla el ADN y pronto fue reconocida como el objetivo del ácido nalidíxico y sus sucesores. La topoisomerasa IV fue caracterizada posteriormente y se demostró que era un segundo objetivo de las quinolonas, refinando la imagen de objetivo único en el modelo de doble objetivo que ahora enmarca la farmacología y la resistencia de las fluoroquinolonas.

Key figures

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

Seminal works

• drlica-zhao-1997
• pommier-2010

Frequently asked questions

¿Cuál es la diferencia entre la ADN girasa y la topoisomerasa IV?

Ambas son topoisomerasas bacterianas de tipo II, pero la girasa introduce principalmente superenrollamientos negativos para ayudar a la replicación y transcripción, mientras que la topoisomerasa IV separa principalmente los cromosomas hijos interconectados después de la replicación. Las fluoroquinolonas pueden actuar sobre ambas.

¿Por qué las fluoroquinolonas no envenenan por igual a las topoisomerasas humanas?

Las células humanas utilizan topoisomerasas de tipo II relacionadas, pero las enzimas bacterianas difieren lo suficiente en estructura como para que las fluoroquinolonas se unan a ellas con mucha más avidez, proporcionando la selectividad que subyace a su acción antibacteriana. Esta selectividad es relativa, no absoluta.