Alvo da DNA Girase e Topoisomerase IV

As fluoroquinolonas devem sua atividade bactericida a duas enzimas bacterianas: a DNA girase, que introduz superenrolamentos negativos à frente da forquilha de replicação, e a topoisomerase IV, que separa (decateniza) os cromossomos-filha após a replicação. Ambas são topoisomerases do tipo II que cortam e religam o DNA de fita dupla, e ambas estão ausentes nesta forma exata nas células humanas, tornando-as alvos antibacterianos seletivos.

Definition

A DNA girase e a topoisomerase IV são topoisomerases bacterianas essenciais do tipo II que fazem passar um duplex de DNA através de uma quebra transitória de fita dupla em outro; o direcionamento por fluoroquinolonas refere-se à ligação do fármaco que estabiliza essas enzimas no DNA clivado, bloqueando a replicação e matando a bactéria.

Scope

A entrada descreve os dois alvos de topoisomerase tipo II das fluoroquinolonas, como o superenrolamento e a decatenação os tornam essenciais, como os fármacos os aprisionam no DNA clivado, a base da seletividade em relação às topoisomerases humanas e como as mutações no alvo conferem resistência. É de caráter educacional-referencial, não sendo um guia de prescrição.

Core questions

• Que papéis celulares distintos a DNA girase e a topoisomerase IV desempenham?
• Por que a girase é frequentemente o alvo primário em bactérias Gram-negativas e a topoisomerase IV em muitas bactérias Gram-positivas?
• Como o aprisionamento de uma topoisomerase do tipo II no DNA clivado produz dano letal?
• Como as mutações em gyrA/gyrB e parC/parE produzem resistência baseada no alvo?

Key concepts

• DNA girase (superenrolamento negativo)
• Topoisomerase IV (decatenação)
• Passagem de fita dupla da topoisomerase tipo II
• Região determinante da resistência a quinolonas (QRDR)
• Alvo primário versus secundário
• Toxicidade seletiva sobre a topoisomerase II humana
• Mutações gyrA/gyrB e parC/parE

Mechanisms

As topoisomerases do tipo II aliviam e gerenciam a topologia do DNA fazendo uma quebra transitória de fita dupla em um duplex, passando um segundo duplex através dela e religando a quebra. A DNA girase introduz de forma única superenrolamentos negativos necessários para a replicação e transcrição, enquanto a topoisomerase IV decatena principalmente os cromossomos-filha interligados para que a divisão celular possa ser concluída (Drlica & Zhao, 1997). As fluoroquinolonas ligam-se ao complexo enzima-DNA em seu estado clivado, estabilizando-o e convertendo a enzima essencial em um gerador de quebras de fita dupla; este 'envenenamento da topoisomerase' é mecanicamente paralelo à forma como certos fármacos anticâncer envenenam as topoisomerases humanas, embora as enzimas bacterianas difiram o suficiente para permitir seletividade (Pommier et al., 2010). Qual enzima é o alvo letal primário varia de acordo com o organismo e o fármaco, ajudando a explicar as diferenças de espectro. Mutações agrupadas nas regiões determinantes da resistência a quinolonas de gyrA/gyrB e parC/parE reduzem a ligação do fármaco e são uma das principais causas de resistência (Ruiz, 2003; Hooper, 1999).

Clinical relevance

Como a girase e a topoisomerase IV são essenciais e estruturalmente distintas das topoisomerases humanas, elas fornecem a base seletiva para a ação antibacteriana das fluoroquinolonas, e as mutações no alvo explicam grande parte da resistência clinicamente observada. Este é um pano de fundo mecanicista para a compreensão da classe e da resistência; não é um conselho de tratamento ou prescrição.

Evidence & guidelines

A enzimologia e o modelo de alvo duplo são apresentados em revisões fundamentais (Drlica & Zhao, 1997), a estrutura de envenenamento da topoisomerase em revisões comparativas que abrangem agentes antibacterianos e anticâncer (Pommier et al., 2010), e os mecanismos de resistência em revisões dedicadas (Ruiz, 2003; Hooper, 1999). Estas são referências mecanicistas, não diretrizes clínicas.

History

A DNA girase foi identificada em meados da década de 1970 como a enzima que superenrola o DNA e logo foi reconhecida como o alvo do ácido nalidíxico e seus sucessores. A topoisomerase IV foi caracterizada posteriormente e demonstrou ser um segundo alvo de quinolonas, refinando a imagem de alvo único para o modelo de alvo duplo que agora enquadra a farmacologia e a resistência das fluoroquinolonas.

Key figures

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

Seminal works

• drlica-zhao-1997
• pommier-2010

Frequently asked questions

Qual é a diferença entre a DNA girase e a topoisomerase IV?

Ambas são topoisomerases bacterianas do tipo II, mas a girase introduz principalmente superenrolamentos negativos para auxiliar a replicação e a transcrição, enquanto a topoisomerase IV separa principalmente os cromossomos-filha interligados após a replicação. As fluoroquinolonas podem atuar em ambas.

Por que as fluoroquinolonas não envenenam igualmente as topoisomerases humanas?

As células humanas usam topoisomerases do tipo II relacionadas, mas as enzimas bacterianas diferem o suficiente em estrutura para que as fluoroquinolonas se liguem a elas com muito mais avidez, proporcionando a seletividade que sustenta sua ação antibacteriana. Essa seletividade é relativa, não absoluta.