Nhắm mục tiêu vào DNA Gyrase và Topoisomerase IV

Các fluoroquinolone có hoạt tính diệt khuẩn nhờ hai enzyme của vi khuẩn: DNA gyrase, enzyme tạo ra các siêu xoắn âm phía trước chạc sao chép, và topoisomerase IV, enzyme tách rời (giải liên kết) các nhiễm sắc thể con sau khi sao chép. Cả hai đều là topoisomerase loại II cắt và nối lại DNA sợi đôi, và cả hai đều không tồn tại ở dạng chính xác này trong tế bào người, khiến chúng trở thành mục tiêu kháng khuẩn chọn lọc.

Definition

DNA gyrase và topoisomerase IV là các topoisomerase loại II thiết yếu của vi khuẩn, chúng cho một sợi DNA đi qua một điểm đứt sợi đôi tạm thời ở sợi khác; việc nhắm mục tiêu bằng fluoroquinolone đề cập đến sự gắn kết của thuốc làm ổn định các enzyme này trên DNA bị cắt, ngăn chặn quá trình sao chép và tiêu diệt vi khuẩn.

Scope

Mục này mô tả hai mục tiêu topoisomerase loại II của fluoroquinolone, cách siêu xoắn và giải liên kết khiến chúng trở nên thiết yếu, cách thuốc giữ chúng trên DNA bị cắt, cơ sở của tính chọn lọc so với topoisomerase của người, và cách các đột biến mục tiêu tạo ra sự kháng thuốc. Đây là tài liệu tham khảo-giáo dục, không phải hướng dẫn kê đơn.

Core questions

• DNA gyrase và topoisomerase IV đóng vai trò tế bào riêng biệt nào?
• Tại sao gyrase thường là mục tiêu chính ở vi khuẩn Gram âm và topoisomerase IV ở nhiều vi khuẩn Gram dương?
• Làm thế nào việc giữ một topoisomerase loại II trên DNA bị cắt tạo ra tổn thương gây chết người?
• Làm thế nào các đột biến trong gyrA/gyrB và parC/parE tạo ra sự kháng thuốc dựa trên mục tiêu?

Key concepts

• DNA gyrase (siêu xoắn âm)
• Topoisomerase IV (giải liên kết)
• Sự đi qua sợi đôi của topoisomerase loại II
• Vùng xác định kháng quinolone (QRDR)
• Mục tiêu chính so với mục tiêu thứ cấp
• Độc tính chọn lọc so với topoisomerase II của người
• Đột biến gyrA/gyrB và parC/parE

Mechanisms

Các topoisomerase loại II làm giảm và quản lý cấu trúc topo của DNA bằng cách tạo ra một điểm đứt sợi đôi tạm thời ở một sợi, cho một sợi thứ hai đi qua đó, và nối lại điểm đứt. DNA gyrase đặc biệt tạo ra các siêu xoắn âm cần thiết cho quá trình sao chép và phiên mã, trong khi topoisomerase IV chủ yếu giải liên kết các nhiễm sắc thể con bị liên kết với nhau để quá trình phân chia tế bào có thể hoàn tất (Drlica & Zhao, 1997). Fluoroquinolone gắn vào phức hợp enzyme-DNA ở trạng thái bị cắt, ổn định nó và biến enzyme thiết yếu thành một tác nhân tạo ra các đứt sợi đôi; 'độc tố topoisomerase' này song song về mặt cơ chế với cách một số loại thuốc chống ung thư gây độc cho topoisomerase của người, mặc dù các enzyme của vi khuẩn đủ khác biệt để cho phép tính chọn lọc (Pommier et al., 2010). Enzyme nào là mục tiêu gây chết chính thay đổi tùy theo sinh vật và thuốc, giúp giải thích sự khác biệt về phổ tác dụng. Các đột biến tập trung ở các vùng xác định kháng quinolone của gyrA/gyrB và parC/parE làm giảm sự gắn kết của thuốc và là nguyên nhân hàng đầu gây kháng thuốc (Ruiz, 2003; Hooper, 1999).

Clinical relevance

Vì gyrase và topoisomerase IV là thiết yếu và có cấu trúc khác biệt so với topoisomerase của người, chúng cung cấp cơ sở chọn lọc cho hoạt động kháng khuẩn của fluoroquinolone, và các đột biến mục tiêu giải thích phần lớn sự kháng thuốc được quan sát trên lâm sàng. Đây là kiến thức cơ chế nền tảng để hiểu về nhóm thuốc và sự kháng thuốc; đây không phải là lời khuyên điều trị hoặc kê đơn.

Evidence & guidelines

Cơ chế enzym học và mô hình mục tiêu kép được trình bày trong các bài đánh giá cơ bản (Drlica & Zhao, 1997), khung độc tố topoisomerase trong các bài đánh giá so sánh bao gồm các tác nhân kháng khuẩn và chống ung thư (Pommier et al., 2010), và các cơ chế kháng thuốc trong các bài đánh giá chuyên sâu (Ruiz, 2003; Hooper, 1999). Đây là các tài liệu tham khảo về cơ chế, không phải hướng dẫn lâm sàng.

History

DNA gyrase được xác định vào giữa những năm 1970 là enzyme tạo siêu xoắn DNA và nhanh chóng được công nhận là mục tiêu của axit nalidixic và các dẫn xuất của nó. Topoisomerase IV được mô tả sau đó và được chứng minh là mục tiêu thứ hai của quinolone, tinh chỉnh bức tranh mục tiêu đơn thành mô hình mục tiêu kép hiện nay định hình dược lý và sự kháng thuốc của fluoroquinolone.

Key figures

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

Seminal works

• drlica-zhao-1997
• pommier-2010

Frequently asked questions

Sự khác biệt giữa DNA gyrase và topoisomerase IV là gì?

Cả hai đều là topoisomerase loại II của vi khuẩn, nhưng gyrase chủ yếu tạo ra các siêu xoắn âm để hỗ trợ sao chép và phiên mã, trong khi topoisomerase IV chủ yếu tách rời các nhiễm sắc thể con bị liên kết với nhau sau khi sao chép. Fluoroquinolone có thể tác động lên cả hai.

Tại sao fluoroquinolone không gây độc cho topoisomerase của người một cách tương đương?

Tế bào người sử dụng các topoisomerase loại II có liên quan, nhưng các enzyme của vi khuẩn khác biệt đủ về cấu trúc để fluoroquinolone gắn kết với chúng mạnh hơn nhiều, tạo ra tính chọn lọc làm nền tảng cho hoạt động kháng khuẩn của chúng. Tính chọn lọc này là tương đối, không tuyệt đối.