DNA旋转酶和拓扑异构酶IV靶向作用

氟喹诺酮类药物的杀菌活性归因于两种细菌酶：DNA旋转酶（在复制叉前方引入负超螺旋）和拓扑异构酶IV（在复制后分离（解链）子代染色体）。两者都是II型拓扑异构酶，能切割并重新连接双链DNA，且在人体细胞中不存在完全相同的形式，这使得它们成为选择性的抗菌靶点。

Definition

DNA旋转酶和拓扑异构酶IV是必需的细菌II型拓扑异构酶，它们使一个DNA双链通过另一个双链中的瞬时双链断裂；氟喹诺酮靶向作用是指药物结合并稳定这些酶在已切割DNA上的状态，从而阻断复制并杀死细菌。

Scope

本条目描述了氟喹诺酮类药物的两种II型拓扑异构酶靶点、超螺旋和解链如何使其成为必需的、药物如何将它们困在已切割的DNA上、对人类拓扑异构酶选择性的基础，以及靶点突变如何赋予耐药性。它属于参考教育性质，而非处方指南。

Core questions

• DNA旋转酶和拓扑异构酶IV在细胞中扮演着哪些不同的角色？
• 为什么旋转酶通常是革兰氏阴性菌的主要靶点，而拓扑异构酶IV是许多革兰氏阳性菌的主要靶点？
• 将II型拓扑异构酶困在已切割的DNA上如何产生致死性损伤？
• gyrA/gyrB和parC/parE中的突变如何产生基于靶点的耐药性？

Key concepts

• DNA旋转酶（负超螺旋）
• 拓扑异构酶IV（解链）
• II型拓扑异构酶双链通过
• 喹诺酮耐药决定区（QRDR）
• 主要靶点与次要靶点
• 对人类拓扑异构酶II的选择性毒性
• gyrA/gyrB和parC/parE突变

Mechanisms

II型拓扑异构酶通过在一个双链中制造瞬时双链断裂，使第二个双链通过该断裂，然后重新连接断裂来缓解和管理DNA拓扑结构。DNA旋转酶独特地引入复制和转录所需的负超螺旋，而拓扑异构酶IV主要解链相互连接的子代染色体，以便细胞分裂能够完成（Drlica & Zhao, 1997）。氟喹诺酮类药物以其切割状态结合酶-DNA复合物，稳定它并将必需的酶转化为双链断裂的产生者；这种“拓扑异构酶中毒”在机制上与某些抗癌药物毒害人类拓扑异构酶的方式相似，尽管细菌酶的差异足以允许选择性（Pommier et al., 2010）。哪种酶是主要的致死靶点因生物体和药物而异，这有助于解释谱系差异。在gyrA/gyrB和parC/parE的喹诺酮耐药决定区（QRDR）中聚集的突变会降低药物结合，是导致耐药性的主要原因（Ruiz, 2003; Hooper, 1999）。

Clinical relevance

由于旋转酶和拓扑异构酶IV是必需的且在结构上与人类拓扑异构酶不同，它们为氟喹诺酮类药物的抗菌作用提供了选择性基础，并且靶点突变解释了许多临床观察到的耐药性。这是理解该类药物和耐药性的机制背景；它不是治疗或处方建议。

Evidence & guidelines

酶学和双靶点模型在基础综述中有所阐述（Drlica & Zhao, 1997），拓扑异构酶中毒框架在涵盖抗菌剂和抗癌剂的比较综述中有所阐述（Pommier et al., 2010），耐药机制在专门综述中有所阐述（Ruiz, 2003; Hooper, 1999）。这些是机制性参考文献，而非临床指南。

History

DNA旋转酶在20世纪70年代中期被鉴定为使DNA超螺旋的酶，并很快被认为是萘啶酸及其后续药物的靶点。拓扑异构酶IV后来被表征，并被证明是第二个喹诺酮靶点，将单一靶点图景细化为现在构成氟喹诺酮药理学和耐药性框架的双靶点模型。

Key figures

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

Seminal works

• drlica-zhao-1997
• pommier-2010

Frequently asked questions

DNA旋转酶和拓扑异构酶IV之间有什么区别？

两者都是细菌II型拓扑异构酶，但旋转酶主要引入负超螺旋以帮助复制和转录，而拓扑异构酶IV主要在复制后分离相互连接的子代染色体。氟喹诺酮类药物可以作用于两者。

为什么氟喹诺酮类药物不会同样毒害人类拓扑异构酶？

人类细胞使用相关的II型拓扑异构酶，但细菌酶在结构上存在足够差异，使得氟喹诺酮类药物对其结合力远高于人类酶，从而提供了其抗菌作用的选择性。这种选择性是相对的，而非绝对的。