Targeting van DNA-gyrase en Topoisomerase IV

Fluoroquinolonen danken hun bacteriedodende activiteit aan twee bacteriële enzymen: DNA-gyrase, dat negatieve supercoils introduceert vóór de replicatievork, en topoisomerase IV, dat dochterchromosomen na replicatie scheidt (decateniseert). Beide zijn type II topoisomerasen die dubbelstrengs DNA knippen en weer aan elkaar zetten, en beide zijn in deze exacte vorm afwezig in menselijke cellen, waardoor ze selectieve antibacteriële doelwitten zijn.

Definition

DNA-gyrase en topoisomerase IV zijn essentiële bacteriële type II topoisomerasen die één DNA-duplex door een tijdelijke dubbelstrengsbreuk in een andere leiden; targeting door fluoroquinolonen verwijst naar medicijnbinding die deze enzymen op gekliefd DNA stabiliseert, waardoor replicatie wordt geblokkeerd en de bacterie wordt gedood.

Scope

Het artikel beschrijft de twee type II topoisomerase-doelwitten van fluoroquinolonen, hoe supercoiling en decatenisatie ze essentieel maken, hoe de middelen ze op gekliefd DNA vastzetten, de basis van selectiviteit ten opzichte van menselijke topoisomerasen, en hoe doelwitmutaties resistentie veroorzaken. Het is referentie-educatief, geen voorschrijvend advies.

Core questions

• Welke verschillende cellulaire rollen spelen DNA-gyrase en topoisomerase IV?
• Waarom is gyrase vaak het primaire doelwit in Gram-negatieve bacteriën en topoisomerase IV in veel Gram-positieve bacteriën?
• Hoe veroorzaakt het vastzetten van een type II topoisomerase op gekliefd DNA dodelijke schade?
• Hoe veroorzaken mutaties in gyrA/gyrB en parC/parE doelwitgebaseerde resistentie?

Key concepts

• DNA-gyrase (negatieve supercoiling)
• Topoisomerase IV (decatenisatie)
• Type II topoisomerase dubbelstrengspassage
• Quinolon-resistentie-bepalende regio (QRDR)
• Primair versus secundair doelwit
• Selectieve toxiciteit ten opzichte van menselijke topoisomerase II
• gyrA/gyrB en parC/parE mutaties

Mechanisms

Type II topoisomerasen ontlasten en beheren DNA-topologie door een tijdelijke dubbelstrengsbreuk in één duplex te maken, een tweede duplex erdoorheen te leiden en de breuk weer te sluiten. DNA-gyrase introduceert uniek negatieve supercoils die nodig zijn voor replicatie en transcriptie, terwijl topoisomerase IV voornamelijk intergekoppelde dochterchromosomen decateniseert zodat celdeling kan voltooien (Drlica & Zhao, 1997). Fluoroquinolonen binden het enzym-DNA-complex in de gekliefde toestand, stabiliseren het en zetten het essentiële enzym om in een generator van dubbelstrengsbreuken; dit 'topoisomerase-vergiftiging' is mechanistisch parallel aan hoe bepaalde antikankermiddelen menselijke topoisomerasen vergiftigen, hoewel de bacteriële enzymen voldoende verschillen om selectiviteit toe te staan (Pommier et al., 2010). Welk enzym het primaire dodelijke doelwit is, varieert per organisme en medicijn, wat helpt bij het verklaren van spectrumverschillen. Mutaties geclusterd in de quinolon-resistentie-bepalende regio's van gyrA/gyrB en parC/parE verminderen medicijnbinding en zijn een belangrijke oorzaak van resistentie (Ruiz, 2003; Hooper, 1999).

Clinical relevance

Omdat gyrase en topoisomerase IV essentieel en structureel verschillend zijn van menselijke topoisomerasen, bieden ze de selectieve basis voor de antibacteriële werking van fluoroquinolonen, en doelwitmutaties verklaren veel klinisch waargenomen resistentie. Dit is mechanistische achtergrond voor het begrijpen van de klasse en resistentie; het is geen behandelings- of voorschrijvingsadvies.

Evidence & guidelines

De enzymologie en het dual-targetmodel worden uiteengezet in fundamentele reviews (Drlica & Zhao, 1997), het topoisomerase-poisoning-framework in vergelijkende reviews die antibacteriële en antikankermiddelen bestrijken (Pommier et al., 2010), en de resistentiemechanismen in gespecialiseerde reviews (Ruiz, 2003; Hooper, 1999). Dit zijn mechanistische referenties, geen klinische richtlijnen.

History

DNA-gyrase werd midden jaren zeventig geïdentificeerd als het enzym dat DNA supercoilt en werd al snel erkend als het doelwit van nalidixinezuur en zijn opvolgers. Topoisomerase IV werd later gekarakteriseerd en bleek een tweede quinolon-doelwit te zijn, wat het single-targetbeeld verfijnde tot het dual-targetmodel dat nu de farmacologie en resistentie van fluoroquinolonen bepaalt.

Key figures

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

Seminal works

• drlica-zhao-1997
• pommier-2010

Frequently asked questions

Wat is het verschil tussen DNA-gyrase en topoisomerase IV?

Beide zijn bacteriële type II topoisomerasen, maar gyrase introduceert voornamelijk negatieve supercoils om replicatie en transcriptie te bevorderen, terwijl topoisomerase IV voornamelijk intergekoppelde dochterchromosomen na replicatie scheidt. Fluoroquinolonen kunnen op beide inwerken.

Waarom vergiftigen fluoroquinolonen menselijke topoisomerasen niet evenredig?

Menselijke cellen gebruiken verwante type II topoisomerasen, maar de bacteriële enzymen verschillen voldoende in structuur dat fluoroquinolonen veel avidder aan hen binden, wat de selectiviteit biedt die ten grondslag ligt aan hun antibacteriële werking. Deze selectiviteit is relatief, niet absoluut.