Мішені ДНК-гірази та топоізомерази IV

Фторхінолони завдячують своєю бактерицидною активністю двом бактеріальним ферментам: ДНК-гіразі, яка вводить негативні суперспіралі перед реплікативною вилкою, та топоізомеразі IV, яка розділяє (декатенує) дочірні хромосоми після реплікації. Обидва є топоізомеразами типу II, що розрізають і знову зшивають дволанцюгову ДНК, і обидва відсутні в такій точній формі в клітинах людини, що робить їх селективними антибактеріальними мішенями.

Definition

ДНК-гіраза та топоізомераза IV є незамінними бактеріальними топоізомеразами типу II, які пропускають один ДНК-дуплекс через тимчасовий дволанцюговий розрив в іншому; мішені фторхінолонів стосуються зв'язування препарату, що стабілізує ці ферменти на розрізаній ДНК, блокуючи реплікацію та вбиваючи бактерію.

Scope

У цій статті описано дві мішені фторхінолонів — топоізомерази типу II, як суперспіралізація та декатенація роблять їх незамінними, як препарати захоплюють їх на розрізаній ДНК, основу селективності щодо людських топоізомераз та як мутації мішені надають резистентності. Це довідково-освітній матеріал, а не припис.

Core questions

• Які відмінні клітинні ролі виконують ДНК-гіраза та топоізомераза IV?
• Чому гіраза часто є первинною мішенню у грамнегативних бактерій, а топоізомераза IV — у багатьох грампозитивних бактерій?
• Як захоплення топоізомерази типу II на розрізаній ДНК призводить до летального пошкодження?
• Як мутації в gyrA/gyrB та parC/parE спричиняють резистентність на основі мішені?

Key concepts

• ДНК-гіраза (негативна суперспіралізація)
• Топоізомераза IV (декатенація)
• Проходження дволанцюгової ДНК топоізомеразою типу II
• Регіон, що визначає хінолонову резистентність (QRDR)
• Первинна проти вторинної мішені
• Селективна токсичність щодо людської топоізомерази II
• Мутації gyrA/gyrB та parC/parE

Mechanisms

Топоізомерази типу II знімають і керують топологією ДНК, створюючи тимчасовий дволанцюговий розрив в одному дуплексі, пропускаючи другий дуплекс через нього та знову запечатуючи розрив. ДНК-гіраза унікально вводить негативні суперспіралі, необхідні для реплікації та транскрипції, тоді як топоізомераза IV переважно декатенує зчеплені дочірні хромосоми, щоб завершити поділ клітини (Drlica & Zhao, 1997). Фторхінолони зв'язуються з комплексом фермент-ДНК у його розрізаному стані, стабілізуючи його та перетворюючи незамінний фермент на генератор дволанцюгових розривів; це «отруєння топоізомерази» механістично паралельне тому, як певні протиракові препарати отруюють людські топоізомерази, хоча бактеріальні ферменти достатньо відрізняються, щоб забезпечити селективність (Pommier et al., 2010). Який фермент є первинною летальною мішенню, варіюється залежно від організму та препарату, що допомагає пояснити відмінності спектра. Мутації, сконцентровані в регіонах, що визначають хінолонову резистентність, gyrA/gyrB та parC/parE, зменшують зв'язування препарату і є основною причиною резистентності (Ruiz, 2003; Hooper, 1999).

Clinical relevance

Оскільки гіраза та топоізомераза IV є незамінними та структурно відмінними від людських топоізомераз, вони забезпечують селективну основу для антибактеріальної дії фторхінолонів, а мутації мішені пояснюють значну частину клінічно спостережуваної резистентності. Це механістичний фон для розуміння класу препаратів та резистентності; це не поради щодо лікування чи призначення.

Evidence & guidelines

Ензимологія та модель подвійної мішені викладені у фундаментальних оглядах (Drlica & Zhao, 1997), каркас «отруєння топоізомерази» — у порівняльних оглядах, що охоплюють антибактеріальні та протиракові засоби (Pommier et al., 2010), а механізми резистентності — у спеціалізованих оглядах (Ruiz, 2003; Hooper, 1999). Це механістичні посилання, а не клінічні настанови.

History

ДНК-гіраза була ідентифікована в середині 1970-х років як фермент, що суперспіралізує ДНК, і незабаром була визнана мішенню налідиксової кислоти та її наступників. Топоізомераза IV була охарактеризована пізніше і показала, що є другою мішенню хінолонів, що уточнило картину єдиної мішені до моделі подвійної мішені, яка зараз формує фармакологію фторхінолонів та резистентність.

Key figures

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

Seminal works

• drlica-zhao-1997
• pommier-2010

Frequently asked questions

Яка різниця між ДНК-гіразою та топоізомеразою IV?

Обидва є бактеріальними топоізомеразами типу II, але гіраза переважно вводить негативні суперспіралі для полегшення реплікації та транскрипції, тоді як топоізомераза IV переважно розділяє зчеплені дочірні хромосоми після реплікації. Фторхінолони можуть діяти на обидва.

Чому фторхінолони не однаково «отруюють» людські топоізомерази?

Людські клітини використовують споріднені топоізомерази типу II, але бактеріальні ферменти достатньо відрізняються за структурою, що фторхінолони зв'язуються з ними набагато сильніше, забезпечуючи селективність, яка лежить в основі їх антибактеріальної дії. Ця селективність є відносною, а не абсолютною.