Ciblage de l'ADN gyrase et de la topoisomérase IV

Les fluoroquinolones doivent leur activité bactéricide à deux enzymes bactériennes : l'ADN gyrase, qui introduit des superenroulements négatifs en amont de la fourche de réplication, et la topoisomérase IV, qui sépare (décathène) les chromosomes fils après la réplication. Toutes deux sont des topoisomérases de type II qui coupent et ressoudent l'ADN double brin, et toutes deux sont absentes sous cette forme exacte dans les cellules humaines, ce qui en fait des cibles antibactériennes sélectives.

Definition

L'ADN gyrase et la topoisomérase IV sont des topoisomérases bactériennes de type II essentielles qui font passer un duplex d'ADN à travers une rupture transitoire double brin dans un autre ; le ciblage par les fluoroquinolones fait référence à la liaison du médicament qui stabilise ces enzymes sur l'ADN clivé, bloquant la réplication et tuant la bactérie.

Scope

Cette entrée décrit les deux cibles topoisomérases de type II des fluoroquinolones, comment le superenroulement et la décathénation les rendent essentielles, comment les médicaments les piègent sur l'ADN clivé, la base de leur sélectivité par rapport aux topoisomérases humaines, et comment les mutations cibles confèrent une résistance. Il s'agit d'une référence éducative, et non d'un guide de prescription.

Core questions

• Quels rôles cellulaires distincts jouent l'ADN gyrase et la topoisomérase IV ?
• Pourquoi la gyrase est-elle souvent la cible principale chez les bactéries Gram-négatives et la topoisomérase IV chez de nombreuses bactéries Gram-positives ?
• Comment le piégeage d'une topoisomérase de type II sur l'ADN clivé produit-il des dommages létaux ?
• Comment les mutations dans gyrA/gyrB et parC/parE produisent-elles une résistance basée sur la cible ?

Key concepts

• ADN gyrase (superenroulement négatif)
• Topoisomérase IV (décathénation)
• Passage double brin par la topoisomérase de type II
• Région déterminante de la résistance aux quinolones (QRDR)
• Cible primaire versus cible secondaire
• Toxicité sélective par rapport à la topoisomérase II humaine
• Mutations gyrA/gyrB et parC/parE

Mechanisms

Les topoisomérases de type II soulagent et gèrent la topologie de l'ADN en créant une rupture transitoire double brin dans un duplex, en faisant passer un second duplex à travers celle-ci, et en ressoudant la rupture. L'ADN gyrase introduit de manière unique les superenroulements négatifs nécessaires à la réplication et à la transcription, tandis que la topoisomérase IV décathène principalement les chromosomes fils interliés afin que la division cellulaire puisse s'achever (Drlica & Zhao, 1997). Les fluoroquinolones se lient au complexe enzyme-ADN dans son état clivé, le stabilisant et convertissant l'enzyme essentielle en un générateur de ruptures double brin ; cet « empoisonnement des topoisomérases » est mécanistiquement parallèle à la façon dont certains médicaments anticancéreux empoisonnent les topoisomérases humaines, bien que les enzymes bactériennes diffèrent suffisamment pour permettre une sélectivité (Pommier et al., 2010). L'enzyme qui constitue la cible létale principale varie selon l'organisme et le médicament, ce qui contribue à expliquer les différences de spectre. Les mutations regroupées dans les régions déterminantes de la résistance aux quinolones (QRDR) de gyrA/gyrB et parC/parE réduisent la liaison du médicament et sont une cause majeure de résistance (Ruiz, 2003 ; Hooper, 1999).

Clinical relevance

Étant donné que la gyrase et la topoisomérase IV sont essentielles et structurellement distinctes des topoisomérases humaines, elles constituent la base sélective de l'action antibactérienne des fluoroquinolones, et les mutations cibles expliquent une grande partie de la résistance observée cliniquement. Ceci représente un contexte mécanistique pour la compréhension de cette classe de médicaments et de la résistance ; il ne s'agit pas d'un conseil de traitement ou de prescription.

Evidence & guidelines

L'enzymologie et le modèle à double cible sont exposés dans des revues fondamentales (Drlica & Zhao, 1997), le cadre de l'empoisonnement des topoisomérases dans des revues comparatives couvrant les agents antibactériens et anticancéreux (Pommier et al., 2010), et les mécanismes de résistance dans des revues dédiées (Ruiz, 2003 ; Hooper, 1999). Ce sont des références mécanistiques, et non des directives cliniques.

History

L'ADN gyrase a été identifiée au milieu des années 1970 comme l'enzyme qui superenroule l'ADN et a rapidement été reconnue comme la cible de l'acide nalidixique et de ses dérivés. La topoisomérase IV a été caractérisée plus tard et s'est avérée être une seconde cible des quinolones, affinant l'image à cible unique en un modèle à double cible qui encadre désormais la pharmacologie et la résistance aux fluoroquinolones.

Key figures

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

Seminal works

• drlica-zhao-1997
• pommier-2010

Frequently asked questions

Quelle est la différence entre l'ADN gyrase et la topoisomérase IV ?

Toutes deux sont des topoisomérases bactériennes de type II, mais la gyrase introduit principalement des superenroulements négatifs pour faciliter la réplication et la transcription, tandis que la topoisomérase IV sépare principalement les chromosomes fils interliés après la réplication. Les fluoroquinolones peuvent agir sur les deux.

Pourquoi les fluoroquinolones n'empoisonnent-elles pas également les topoisomérases humaines ?

Les cellules humaines utilisent des topoisomérases de type II apparentées, mais les enzymes bactériennes diffèrent suffisamment dans leur structure pour que les fluoroquinolones s'y lient beaucoup plus avidement, offrant la sélectivité qui sous-tend leur action antibactérienne. Cette sélectivité est relative, et non absolue.