การกำหนดเป้าหมาย DNA Gyrase และ Topoisomerase IV

ยาฟลูออโรควิโนโลนมีฤทธิ์ฆ่าเชื้อแบคทีเรียได้เนื่องจากเอนไซม์แบคทีเรียสองชนิด ได้แก่ DNA gyrase ซึ่งทำหน้าที่สร้างซูเปอร์คอยล์เชิงลบนำหน้าการจำลองแบบ และ topoisomerase IV ซึ่งทำหน้าที่แยก (decatenate) โครโมโซมลูกสาวหลังการจำลองแบบ ทั้งสองเป็นเอนไซม์ type II topoisomerase ที่ตัดและเชื่อมต่อ DNA สายคู่ใหม่ และทั้งสองชนิดนี้ไม่มีอยู่ในเซลล์มนุษย์ในรูปแบบที่แน่นอน ทำให้เป็นเป้าหมายที่เลือกสรรสำหรับการต้านเชื้อแบคทีเรีย

Definition

DNA gyrase และ topoisomerase IV เป็นเอนไซม์ type II topoisomerase ที่จำเป็นของแบคทีเรีย ซึ่งทำหน้าที่ส่งผ่าน DNA สายคู่หนึ่งผ่านรอยแตกสองสายชั่วคราวในอีกสายหนึ่ง การกำหนดเป้าหมายด้วยฟลูออโรควิโนโลนหมายถึงการจับของยาที่ทำให้เอนไซม์เหล่านี้คงตัวอยู่บน DNA ที่ถูกตัด ซึ่งจะขัดขวางการจำลองแบบและฆ่าเชื้อแบคทีเรีย

Scope

บทความนี้อธิบายถึงเป้าหมาย type II topoisomerase สองชนิดของฟลูออโรควิโนโลน วิธีที่ซูเปอร์คอยล์และการแยกสายทำให้เอนไซม์เหล่านี้จำเป็น วิธีที่ยาจับเอนไซม์เหล่านี้บน DNA ที่ถูกตัด หลักการของการเลือกสรรเหนือ topoisomerase ของมนุษย์ และวิธีที่การกลายพันธุ์ของเป้าหมายทำให้เกิดการดื้อยา บทความนี้มีวัตถุประสงค์เพื่อการศึกษาอ้างอิง ไม่ใช่คำแนะนำในการสั่งยา

Core questions

• DNA gyrase และ topoisomerase IV มีบทบาททางเซลล์ที่แตกต่างกันอย่างไร?
• เหตุใด gyrase จึงมักเป็นเป้าหมายหลักในแบคทีเรียแกรมลบ และ topoisomerase IV ในแบคทีเรียแกรมบวกหลายชนิด?
• การจับ type II topoisomerase บน DNA ที่ถูกตัดทำให้เกิดความเสียหายร้ายแรงได้อย่างไร?
• การกลายพันธุ์ใน gyrA/gyrB และ parC/parE ทำให้เกิดการดื้อยาโดยอิงจากเป้าหมายได้อย่างไร?

Key concepts

• DNA gyrase (การสร้างซูเปอร์คอยล์เชิงลบ)
• Topoisomerase IV (การแยกสาย)
• การส่งผ่านสองสายของ Type II topoisomerase
• บริเวณที่กำหนดการดื้อยาควิโนโลน (QRDR)
• เป้าหมายหลักเทียบกับเป้าหมายรอง
• ความเป็นพิษแบบเลือกสรรเหนือ human topoisomerase II
• การกลายพันธุ์ของ gyrA/gyrB และ parC/parE

Mechanisms

Type II topoisomerase ช่วยบรรเทาและจัดการโครงสร้าง DNA โดยการสร้างรอยแตกสองสายชั่วคราวใน DNA สายคู่หนึ่ง ส่งผ่าน DNA สายคู่ที่สองผ่านรอยแตกนั้น และเชื่อมต่อรอยแตกใหม่ DNA gyrase มีลักษณะเฉพาะในการสร้างซูเปอร์คอยล์เชิงลบที่จำเป็นสำหรับการจำลองแบบและการถอดรหัส ในขณะที่ topoisomerase IV ส่วนใหญ่จะแยกโครโมโซมลูกสาวที่เชื่อมโยงกันเพื่อให้การแบ่งเซลล์สมบูรณ์ (Drlica & Zhao, 1997) ฟลูออโรควิโนโลนจะจับกับคอมเพล็กซ์เอนไซม์-DNA ในสถานะที่ถูกตัด ทำให้มันคงตัวและเปลี่ยนเอนไซม์ที่จำเป็นให้กลายเป็นตัวสร้างรอยแตกสองสาย ซึ่ง 'การเป็นพิษต่อ topoisomerase' นี้มีกลไกคล้ายคลึงกับวิธีที่ยาต้านมะเร็งบางชนิดเป็นพิษต่อ topoisomerase ของมนุษย์ แม้ว่าเอนไซม์ของแบคทีเรียจะแตกต่างกันมากพอที่จะอนุญาตให้มีการเลือกสรรได้ (Pommier et al., 2010) เอนไซม์ใดเป็นเป้าหมายหลักที่ทำให้ถึงแก่ชีวิตจะแตกต่างกันไปตามสิ่งมีชีวิตและยา ซึ่งช่วยอธิบายความแตกต่างของสเปกตรัม การกลายพันธุ์ที่รวมตัวกันในบริเวณที่กำหนดการดื้อยาควิโนโลนของ gyrA/gyrB และ parC/parE ลดการจับของยาและเป็นสาเหตุหลักของการดื้อยา (Ruiz, 2003; Hooper, 1999)

Clinical relevance

เนื่องจาก gyrase และ topoisomerase IV มีความจำเป็นและมีโครงสร้างที่แตกต่างจาก topoisomerase ของมนุษย์ จึงเป็นพื้นฐานที่เลือกสรรสำหรับการออกฤทธิ์ต้านเชื้อแบคทีเรียของฟลูออโรควิโนโลน และการกลายพันธุ์ของเป้าหมายอธิบายถึงการดื้อยาที่พบได้บ่อยทางคลินิก นี่คือพื้นฐานทางกลไกสำหรับการทำความเข้าใจประเภทและการดื้อยา ไม่ใช่คำแนะนำในการรักษาหรือการสั่งยา

Evidence & guidelines

เอนไซม์วิทยาและแบบจำลองเป้าหมายคู่ได้ถูกนำเสนอในบทความทบทวนพื้นฐาน (Drlica & Zhao, 1997) กรอบการเป็นพิษต่อ topoisomerase ในบทความทบทวนเปรียบเทียบที่ครอบคลุมสารต้านแบคทีเรียและสารต้านมะเร็ง (Pommier et al., 2010) และกลไกการดื้อยาในบทความทบทวนเฉพาะ (Ruiz, 2003; Hooper, 1999) เหล่านี้เป็นข้อมูลอ้างอิงทางกลไก ไม่ใช่แนวทางปฏิบัติทางคลินิก

History

DNA gyrase ถูกระบุในช่วงกลางทศวรรษ 1970 ว่าเป็นเอนไซม์ที่สร้างซูเปอร์คอยล์ DNA และในไม่ช้าก็ได้รับการยอมรับว่าเป็นเป้าหมายของกรดนาลิดิซิกและสารที่ตามมา Topoisomerase IV ถูกระบุลักษณะในภายหลังและแสดงให้เห็นว่าเป็นเป้าหมายควิโนโลนที่สอง ซึ่งปรับปรุงภาพเป้าหมายเดี่ยวให้เป็นแบบจำลองเป้าหมายคู่ที่ปัจจุบันเป็นกรอบเภสัชวิทยาและการดื้อยาของฟลูออโรควิโนโลน

Key figures

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

Seminal works

• drlica-zhao-1997
• pommier-2010

Frequently asked questions

DNA gyrase และ topoisomerase IV แตกต่างกันอย่างไร?

ทั้งสองเป็นเอนไซม์ type II topoisomerase ของแบคทีเรีย แต่ gyrase ส่วนใหญ่จะสร้างซูเปอร์คอยล์เชิงลบเพื่อช่วยในการจำลองแบบและการถอดรหัส ในขณะที่ topoisomerase IV ส่วนใหญ่จะแยกโครโมโซมลูกสาวที่เชื่อมโยงกันหลังการจำลองแบบ ยาฟลูออโรควิโนโลนสามารถออกฤทธิ์ต่อทั้งสองชนิดได้

เหตุใดฟลูออโรควิโนโลนจึงไม่เป็นพิษต่อ topoisomerase ของมนุษย์เท่ากัน?

เซลล์มนุษย์ใช้เอนไซม์ type II topoisomerase ที่เกี่ยวข้อง แต่เอนไซม์ของแบคทีเรียมีความแตกต่างกันมากพอในโครงสร้างที่ทำให้ฟลูออโรควิโนโลนจับกับพวกมันได้ดีกว่ามาก ซึ่งให้ความเป็นเลือกสรรที่เป็นพื้นฐานของการออกฤทธิ์ต้านเชื้อแบคทีเรีย ความเป็นเลือกสรรนี้เป็นแบบสัมพัทธ์ ไม่ใช่แบบสมบูรณ์