Funcions i regulació de les topoisomerases

Els rols bàsics de les topoisomerases dins la cèl·lula viva es poden deduir a partir de les seves capacitats

in vitro i dels requerimets de les transaccions genòmiques conegudes. Aquest coneixement es pot millorar i confirmar in vivoa partir de l’estudi dels mutants, nuls, parcials o condicionals existents, de les diferents topoisomerases.

La funció cel·lular de les topoisomerases de tipus IA s’ha relacionat amb l’eliminació de l’estrès torsional negatiu al darrera dels complexes de transcripció (Wu et al, 1988; Tsao et al, 1989; Lynch i Wang, 1993), potencials generadors de R-loops (Drolet et al, 1994), i amb la resolució dels intermediaris de recombinació (Schofield et al, 1992).

A E. coli la pèrdua de la topoisomerasa I és letal, però amb mutacions compensadores als gens gyrA o gyrB (Pruss et al, 1982; DiNardo et al, 1982) o sobre-expresant la topo IV (Kato et al, 1990), es pot fer viable possiblement a causa del manteniment de la homeòstasi entre superenrotllament negatiu i positiu coordinat pels dos enzims (Liu i Wang, 1987), tot i això la necessitat de mutacions compensatòries a la girasa ha estat qüestionada (Stupina i Wang, 2005). Quan falta la topoisomerasa III la cèl·lula és viable, però augmenta la taxa de recombinació entre seqüències repetitives i augmenten les deleccions espontànies (Schofield et al, 1992), la topoisomerasa III també contribueix a l’estabilitat del genoma a

traves de la seva associació amb les helicases com RecQ (Suski i Marians, 2008). En tot cas quan falten els dos enzims la cèl·lula no és viable (Zhu et al, 2001), indicant la importància de la seva funció.

En el S.cerevisiae la delecció de la topoisomerasa III genera també fenotips de creixement lent, hiperrecombinant, amb alteracions de l’esporulació (Wallis et al, 1989) i inestabilitat de les regions subtelomèriques (Kim et al, 1995), també és essencial per poder fer la recombinació meiòtica (Gangloff et

al, 1999).Tant a bacteris com a Saccharomyces, la topoisomerasa III s’associa a helicases de la família

RecQ (Wu et al, 2000), formant complexes de funció poc coneguda. El mateix dèficit a

Schizosaccharomyces pombe és letal (Goodwin et al, 1999). En el ratolí la pèrdua de la topo IIIα és letal (Li i Wang, 1998), mentre que la falta de la topoisomerasa IIIβ produeix individus dèbils (Kwan i Wang, 2001) i mort prematura (Yu et al, 1996).

Les topoisomerases del tipus IB son considerades com les principals relaxases cel·lulars, actuant sobre el superenrotllament de ambdós signes sense fer diferències. A partir del twin supecoiling model de la transcripció, la topoisomerasa I seria, amb l’ajut de la topoisomerasa II, la principal responsable d’eliminar

el superenrotllament al davant i al darrere de la bombolla de transcripció (Giaever i Wang, 1988; Gartenberg i Wang, 1992) i una reducció o pèrdua simultània de les dues activitats ocasiona una ràpida

baixada de la producció d’ARN (Choder, 1991), això es pot relacionar amb un creixement lent (Goto i Wang, 1985). A la replicació, està descrit un paper similar al de la transcripció per la topoisomerasa I i la topoisomerasa II, però eliminant solament superenrotllament positiu i l’absència de les dues activitats

atura rapidament la replicació (Brill et al, 1987; Kim i Wang, 1989). Els mutants de S. cerevisiae Δtop1 tenen també una lleu inestabilitat gènica (Gangloff et al, 1999), amb una taxa de recombinació mitòtica incrementada als gens ribosomals (Christman et al, 1993).

A la mosca i el ratolí el genotip Δtop I és letal (Lee et al, 1993; Morham et al, 1996). En metazous la topoisomerasa I sembla tenir un paper important a la transcripció ja que s’ha vist que l’enzim està

localitzat en els gens més activament transcrits (Zhang et al; 1988; Stewart et al, 1990). Estudis fets in vitrofan pensar que la topoisomerasa I s’uneix al domini C-terminal fosforilat de la subunitat major de la ARN polimerasa II (Wu et al, 2010), també s’ha vist la interacció amb el TFIID per fer de coactivador

específic de la iniciació de la transcripció, el canvi de la tirosina del centre actiu per una fenilalanina no

afecta aquesta funció, per tant no estaria relacionada amb l’activitat relaxadora (Merino et al, 1993; Shykind et al, 1997). Sembla que en els eucariotes la topoisomerasa I s’expressa constitutivament

(Thrash et al, 1985).

Les topoisomerases de tipus II tenen la funció primària d’invertir els creuaments i fer i desfer els

fa que la cèl·lula les pugui fer servir també com a relaxases. La capacitat de desencadenar és clau per poder separar les cadenes germanes acabades de replicar i acabar amb èxit la divisió cel·lular (Dinardo et al, 1984; Baxter i Diffley, 2008; Bermejo et al; 2007). Estudis in vivo han mostrat la necessitat de la topoisomerasa II en els últims estadis de la condensació mitòtica i meiòtica i a l’inici de la descondensació

(Uemura et al, 1987; Newport, 1987; Downes et al,1991;1994).També tenen un paper, relaxant de la

tensió helicoïdal generada per les polimerases d’ADN i ARN (Liu i Wang, 1987; Giaever i Wang, 1988). En els bacteris, la girasa junt amb la topoI, controlen el nivell de tensió helicoïdal just pel bon funcionament cel·lular i la topoisomerasa IV té la funció de desanusar les cadenes acabades de sintetitzar a la replicació. La falta de la girasa (Reece, Maxwell i Wang, 1991) i de la topoisomerasa IV (Kato et al, 1990) son letals.

En els bacteris, quan baixa el superenrotllament negatiu, augmenta l’expressió dels gens GyrA i GyrB i

quan aquest creix, la transcripció del gen TopA també ho fa (Menzel i Gellert, 1983; Tse-Dinh i Beran, 1988).

Un fet anàleg al dels bacteris passa a Saccharomyces cerevisiae, si falta la topoisomerasa II no hi ha segregació cromosòmica (Holm et al, 1985) però mentre queda activitat relaxadora la forquilla de replicació pot seguir avançant, però si els dos enzims; topoisomerasa I i topoisomerasa II queden

inoperants, la forquilla de replicació s’atura al cap d’uns centenars de parells de bases (Brill et al, 1987; Kim i Wang, 1989). Després de la replicació, l’activitat relaxadora de la topoisomerasa II, junt amb la de la topoisomerasa I, també és necessària pel correcte acoblament de les histones a S.cerevisiae (Garinther i

Sghultz, 1997). També, en el cas de les protamines, s’ha descrit una activitat topoisomerasa II molt elevada quan aquestes ocupen el lloc de les histones a la espermatogènesi (Roca i Mezquita,1989). La topoisomerasa II podria intervenir a la remodelació dels nucleosomes (Varga-Weisz et al, 1997), sembla que existeix una interacció amb el complex de remodelació però es discuteix la seva especificitat (Eberharter et al; 2001). L’expressió de la topoisomerasa II a llevat està incrementada a la fase G2 (Heck

En els vertebrats hi ha dos isoenzims, la topoisomerasa IIα i la topoisomerasa IIβ (Drake et al, 1987) i tant la topoisomerasa IIα (Coob et al,1997), com la topoisomerasa IIβ (Yang et al, 2000) son imprescindibles i no compensables. La presència de dos isoenzims fa pensar en funcions especialitzades, els dos isoenzims tenen funcions diferents (Wang, 2002), i estan regulats de forma diferent i s’expressen en diferents condicions fisiològiques.

La isoforma topoisomerasa IIα està implicada en la replicació i la mitosi. S’ha vist que a major proliferació major concentració de topoisomerasa IIα (Heck i Earnshaw, 1986; Drake et al, 1989), que té una expressió més intensa a les fases G2 i M del cicle cel·lular (Drake et al, 1989; Kimura et al, 1994), en general la isoforma IIα podria funcionar en la condensació, descondensació i segregació de les cromàtides germanes, fent un paper anàleg a la topoisomerasa II del llevat o de la mosca.

La topoisomerasa IIβ s’expressa a cèl·lules en repòs mitòtic i diferenciades (Capranico et al, 1992; Tsutsui et al, 1993; Turley et al, 1997) però la seva funció està encara poc definida, se sap que s’uneix a la llocs reguladors d’un cert nombre de gens (Lyu et al, 2006), alguns d’aquests podrien tenir un paper

important en el desenvolupament i diferenciació del sistema nerviós (Tiwari et al,2012), també s’ha vist la

seva ubicació en promotors que podrien regular la seva activació per canvis locals de la topologia de la cromatina en un punt específic (Ju et al, 2006). En el domini C-terminal hi ha modificacions com la fosforilació (Bakshi et al, 2001), ADP-ribosilació (Darby et al, 1985), SUMO-lació (Takahashiet al, 2006) que podrien tenir algun paper a la regulació, ja que pot ser alterat sense canvis a la seva activitat relaxadora in vitro.

Una possibilitat de control de l’activitat topoisomerasa IIA in vivo podria ser la presència de molècules

amb la funció cadenat a l’entrada N-terminal o a la sortida C-terminal, però aquests elements hipotètics

que actuarien com un cadenat, encara no s’han trobat (Roca, 2009). L’abundància de la topoisomerasa II

en el nucli cel·lular (Berrios et al, 1985; Earnshaw et al, 1985; Gasser et al, 1986; Heck i Earnshaw, 1986), fa intuir un possible paper estructural, que estudis posteriors no han permès encara confirmar (Hirano i Mitchison, 1993; Chang et al, 2003).