Targeting di DNA girasi e topoisomerasi IV

I fluorochinoloni devono la loro attività battericida a due enzimi batterici: la DNA girasi, che introduce superavvolgimenti negativi davanti alla forcella di replicazione, e la topoisomerasi IV, che separa (decatenizza) i cromosomi figli dopo la replicazione. Entrambi sono topoisomerasi di tipo II che tagliano e risaldano il DNA a doppio filamento, ed entrambi sono assenti in questa esatta forma nelle cellule umane, rendendoli bersagli antibatterici selettivi.

Definition

La DNA girasi e la topoisomerasi IV sono topoisomerasi batteriche essenziali di tipo II che fanno passare un duplex di DNA attraverso una temporanea rottura a doppio filamento in un altro; il targeting da parte dei fluorochinoloni si riferisce al legame del farmaco che stabilizza questi enzimi sul DNA tagliato, bloccando la replicazione e uccidendo il batterio.

Scope

La voce descrive i due bersagli topoisomerasi di tipo II dei fluorochinoloni, come superavvolgimento e decatenazione li rendano essenziali, come i farmaci li intrappolino sul DNA tagliato, la base della selettività rispetto alle topoisomerasi umane e come le mutazioni del bersaglio conferiscano resistenza. Si tratta di materiale di riferimento-educativo, non di indicazioni prescrittive.

Core questions

• Quali ruoli cellulari distinti svolgono la DNA girasi e la topoisomerasi IV?
• Perché la girasi è spesso il bersaglio primario nei batteri Gram-negativi e la topoisomerasi IV in molti batteri Gram-positivi?
• Come l'intrappolamento di una topoisomerasi di tipo II sul DNA tagliato produce un danno letale?
• Come le mutazioni in gyrA/gyrB e parC/parE producono resistenza basata sul bersaglio?

Key concepts

• DNA girasi (superavvolgimento negativo)
• Topoisomerasi IV (decatenazione)
• Passaggio di un duplex di DNA attraverso un altro da parte di una topoisomerasi di tipo II
• Regione determinante la resistenza ai chinoloni (QRDR)
• Bersaglio primario versus secondario
• Tossicità selettiva rispetto alla topoisomerasi II umana
• Mutazioni di gyrA/gyrB e parC/parE

Mechanisms

Le topoisomerasi di tipo II alleviano e gestiscono la topologia del DNA effettuando una temporanea rottura a doppio filamento in un duplex, facendovi passare un secondo duplex e risaldando la rottura. La DNA girasi introduce in modo unico i superavvolgimenti negativi necessari per la replicazione e la trascrizione, mentre la topoisomerasi IV decatenizza principalmente i cromosomi figli interconnessi in modo che la divisione cellulare possa completarsi (Drlica & Zhao, 1997). I fluorochinoloni si legano al complesso enzima-DNA nel suo stato tagliato, stabilizzandolo e convertendo l'enzima essenziale in un generatore di rotture a doppio filamento; questo 'avvelenamento della topoisomerasi' è meccanicamente parallelo a come alcuni farmaci antitumorali avvelenano le topoisomerasi umane, sebbene gli enzimi batterici differiscano abbastanza da permettere la selettività (Pommier et al., 2010). Quale enzima sia il bersaglio letale primario varia a seconda dell'organismo e del farmaco, contribuendo a spiegare le differenze nello spettro d'azione. Mutazioni concentrate nelle regioni determinanti la resistenza ai chinoloni di gyrA/gyrB e parC/parE riducono il legame del farmaco e sono una causa principale di resistenza (Ruiz, 2003; Hooper, 1999).

Clinical relevance

Poiché la girasi e la topoisomerasi IV sono essenziali e strutturalmente distinte dalle topoisomerasi umane, esse forniscono la base selettiva per l'azione antibatterica dei fluorochinoloni, e le mutazioni del bersaglio spiegano gran parte della resistenza clinicamente osservata. Questo è uno sfondo meccanicistico per la comprensione della classe e della resistenza; non si tratta di consigli terapeutici o prescrittivi.

Evidence & guidelines

L'enzimologia e il modello a doppio bersaglio sono esposti in recensioni fondamentali (Drlica & Zhao, 1997), il quadro del 'topoisomerase poisoning' in recensioni comparative che spaziano tra agenti antibatterici e antitumorali (Pommier et al., 2010), e i meccanismi di resistenza in recensioni dedicate (Ruiz, 2003; Hooper, 1999). Queste sono referenze meccanicistiche, non linee guida cliniche.

History

La DNA girasi fu identificata a metà degli anni '70 come l'enzima che superavvolge il DNA e fu presto riconosciuta come bersaglio dell'acido nalidixico e dei suoi successori. La topoisomerasi IV fu caratterizzata più tardi e dimostrata essere un secondo bersaglio dei chinoloni, raffinando il quadro a bersaglio singolo nel modello a doppio bersaglio che ora inquadra la farmacologia e la resistenza dei fluorochinoloni.

Key figures

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

Seminal works

• drlica-zhao-1997
• pommier-2010

Frequently asked questions

Qual è la differenza tra DNA girasi e topoisomerasi IV?

Entrambe sono topoisomerasi batteriche di tipo II, ma la girasi introduce principalmente superavvolgimenti negativi per favorire la replicazione e la trascrizione, mentre la topoisomerasi IV separa principalmente i cromosomi figli interconnessi dopo la replicazione. I fluorochinoloni possono agire su entrambe.

Perché i fluorochinoloni non avvelenano allo stesso modo le topoisomerasi umane?

Le cellule umane utilizzano topoisomerasi di tipo II correlate, ma gli enzimi batterici differiscono abbastanza nella struttura da far sì che i fluorochinoloni si leghino ad essi molto più avidamente, fornendo la selettività che sottende la loro azione antibatterica. Questa selettività è relativa, non assoluta.