Воздействие на ДНК-гиразу и топоизомеразу IV

Фторхинолоны обязаны своей бактерицидной активностью двум бактериальным ферментам: ДНК-гиразе, которая вводит отрицательные супервитки перед репликационной вилкой, и топоизомеразе IV, которая разделяет (декатенирует) дочерние хромосомы после репликации. Оба фермента являются топоизомеразами II типа, которые разрезают и повторно сшивают двухцепочечную ДНК, и оба отсутствуют в такой точной форме в клетках человека, что делает их селективными антибактериальными мишенями.

Definition

ДНК-гираза и топоизомераза IV — это незаменимые бактериальные топоизомеразы II типа, которые пропускают одну дуплексную ДНК через временный двухцепочечный разрыв в другой; воздействие фторхинолонов относится к связыванию препарата, которое стабилизирует эти ферменты на расщепленной ДНК, блокируя репликацию и убивая бактерию.

Scope

Статья описывает две мишени фторхинолонов — топоизомеразы II типа, объясняет, как суперспирализация и декатенация делают их незаменимыми, как препараты удерживают их на расщепленной ДНК, основу селективности по отношению к топоизомеразам человека и как мутации мишеней обусловливают резистентность. Это справочно-образовательный материал, а не руководство по назначению.

Core questions

• Какие различные клеточные роли играют ДНК-гираза и топоизомераза IV?
• Почему гираза часто является основной мишенью у грамотрицательных бактерий, а топоизомераза IV — у многих грамположительных бактерий?
• Как удержание топоизомеразы II типа на расщепленной ДНК приводит к летальному повреждению?
• Как мутации в gyrA/gyrB и parC/parE вызывают резистентность, основанную на мишени?

Key concepts

• ДНК-гираза (отрицательная суперспирализация)
• Топоизомераза IV (декатенация)
• Двухцепочечный проход топоизомеразы II типа
• Регион, определяющий устойчивость к хинолонам (QRDR)
• Первичная и вторичная мишень
• Селективная токсичность по отношению к топоизомеразе II человека
• Мутации gyrA/gyrB и parC/parE

Mechanisms

Топоизомеразы II типа ослабляют и регулируют топологию ДНК, создавая временный двухцепочечный разрыв в одном дуплексе, пропуская через него второй дуплекс и повторно сшивая разрыв. ДНК-гираза уникальным образом вводит отрицательные супервитки, необходимые для репликации и транскрипции, в то время как топоизомераза IV главным образом декатенирует взаимосвязанные дочерние хромосомы, чтобы завершить деление клетки (Drlica & Zhao, 1997). Фторхинолоны связываются с ферментно-ДНК-комплексом в его расщепленном состоянии, стабилизируя его и превращая незаменимый фермент в генератор двухцепочечных разрывов; это «отравление топоизомеразы» механистически параллельно тому, как некоторые противоопухолевые препараты отравляют топоизомеразы человека, хотя бактериальные ферменты достаточно отличаются, чтобы обеспечить селективность (Pommier et al., 2010). Какой фермент является основной летальной мишенью, варьируется в зависимости от организма и препарата, что помогает объяснить различия в спектре действия. Мутации, сгруппированные в регионах gyrA/gyrB и parC/parE, определяющих устойчивость к хинолонам, снижают связывание препарата и являются основной причиной резистентности (Ruiz, 2003; Hooper, 1999).

Clinical relevance

Поскольку гираза и топоизомераза IV являются незаменимыми и структурно отличаются от топоизомераз человека, они обеспечивают селективную основу для антибактериального действия фторхинолонов, а мутации мишеней объясняют большую часть клинически наблюдаемой резистентности. Это механистическая основа для понимания класса и резистентности; это не рекомендации по лечению или назначению.

Evidence & guidelines

Энзимология и модель двойной мишени изложены в основополагающих обзорах (Drlica & Zhao, 1997), концепция отравления топоизомеразы — в сравнительных обзорах, охватывающих антибактериальные и противоопухолевые агенты (Pommier et al., 2010), а механизмы резистентности — в специализированных обзорах (Ruiz, 2003; Hooper, 1999). Это механистические ссылки, а не клинические рекомендации.

History

ДНК-гираза была идентифицирована в середине 1970-х годов как фермент, который суперспирализует ДНК, и вскоре была признана мишенью налидиксовой кислоты и ее преемников. Топоизомераза IV была охарактеризована позже и показана как вторая мишень хинолонов, что уточнило картину одной мишени до модели двойной мишени, которая теперь определяет фармакологию и резистентность фторхинолонов.

Key figures

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

Seminal works

• drlica-zhao-1997
• pommier-2010

Frequently asked questions

В чем разница между ДНК-гиразой и топоизомеразой IV?

Оба фермента являются бактериальными топоизомеразами II типа, но гираза главным образом вводит отрицательные супервитки для облегчения репликации и транскрипции, тогда как топоизомераза IV главным образом разделяет взаимосвязанные дочерние хромосомы после репликации. Фторхинолоны могут действовать на оба фермента.

Почему фторхинолоны не отравляют топоизомеразы человека в равной степени?

Клетки человека используют родственные топоизомеразы II типа, но бактериальные ферменты достаточно отличаются по структуре, чтобы фторхинолоны связывались с ними гораздо более активно, обеспечивая селективность, лежащую в основе их антибактериального действия. Эта селективность относительна, а не абсолютна.