TOPOISOMERASAS COMO TARGET FARMACOLÓGICO

Por Mónica Muñoz Sánchez y Ana María López Colmenar. Alumnas de 3º de Biología Sanitaria (UAH), curso académico 2019/2020.

Durante los procesos celulares de la replicación, transcripción y reparación, así como de recombinación y reparto de cromosomas, aparecen tensiones en el DNA que deben ser resueltas. En la molécula de ADN de eucariotas aumenta el nivel de tensión en una región, cuando en otra se están separando las dos hebras, esta tensión se manifestará como un superenrollamiento (Pastor Carrillo, 2002).

Las topoisomerasas de ADN son las enzimas encargadas de regularlo mediante un proceso en el que se dan la ruptura de la hebra, paso de otra hebra intacta a través de la rotura y ligación. Se trata de una familia de enzimas situadas en el núcleo celular, muy conservada e indispensable para los organismos (Pastor Carrillo, 2002).

Estas las podemos dividir en dos grandes grupos basándonos en sus propiedades y mecanismos de acción. Así, encontramos por un lado las topoisomerasas de tipo I, estas rompen una hebra de la molécula y permiten el paso de la otra hebra intacta a través de la rotura. Por otro lado, las topoisomerasas de tipo II rompen las dos cadenas de la molécula de DNA y permiten el paso de otra doble cadena de DNA intacto a través de la rotura (Pastor Carrillo, 2002).

Campbell, N.A (1994). Mecanismo de acción de la topoisomerasa I. [Figura 1] Imagen modificada a partir del libro Biology: Concepts and coennections.
Campbell, N.A (1994). Mecanismo de acción de la topoisomerasa II. [Figura 2] Imagen modificada a partir del libro Biology: Concepts and coennections.

Las topoisomerasas de tipo I se dividen en 2 subfamilias, 1A y 1B, basándose en las diferencias de sus mecanismos de acción (Lima y col.; 1994; Redimbo y col., 1998). La subfamilia 1A contiene la girasa reversa de arqueas, la topoisomerasa I y III bacterianas y la topoisomerasa IIIα y IIIβ de eucariotas (Han y col., 2001). Dentro de la subfamilia 1B se encuentra la topoisomerasa I de mamíferos, una proteína que se ha conservado de forma parcial desde levaduras hasta humanos (Kunze y col., 1991). A diferencia de esta, la topoisomerasa II de mamíferos está altamente conservada en todos los organismos vivos (Carrillo, 2002).

Numerosos estudios han demostrado que las topoisomerasas son un buen objetivo para el estudio y el empleo de terapias, es decir, actúan como dianas terapéuticas. Podemos diferenciar dos grandes grupos de compuestos que inhiben a las topoisomerasas, de tipo 1 y de tipo 2.  Por un lado, se encuentran los denominados venenos (Liu, 1989), inhibidores de tipo 1, estos actúan estabilizando el complejo DNA-topoisomerasa I (Staker B.L. y col., 2005). El otro grupo actúa a nivel de la topoisomerasa II, se subdivide en los también denominados venenos, dirigidos al complejo formado entre la topoisomerasa y el ADN, y en los inhibidores catalíticos, los cuales inhiben la enzima de forma independiente a la estabilización del complejo ya mencionado. 

INHIBIDORES DE TIPO 1

Los primeros mencionados, inhibidores de tipo 1, son agentes que bloquean de forma específica y reversible la ligación de roturas, atrapado al intermediario ADN-Topoisomerasa y aumentando así la concentración de topoisomerasa que queda unida a los extremos rotos del ADN (Cobertt y Osheroff, 1993; Pommier, 1985; Chen y Liu, 1994)

En 1988, estudios sugirieron que la topoisomerasa de ADN de mamíferos era un posible objetivo intracelular de la camptotecina (Hsiang y col., 1985) y hoy en día se ha confirmado firmemente. Se trata de un alcaloide procedente del árbol Camptotheca accuminata. Las camptotecinas son una clase de agentes antineoplásicos (sustancias que impiden el desarrollo, crecimiento, o proliferación de células tumorales malignas) que inhiben a la topoisomerasa I y presentan actividad en numerosos tumores (Chabner y Zuckerman, 2009). Realizan su acción estabilizando el complejo formado por topoisomerasa I-DNA, lo que al final lleva a las roturas de la hebra doble y a la apoptosis (Figura 4). 

Chabner, B.; Zuckerman, D. (2009). Estructura de las camptotecinas. [Figura 3]
Imagen tomada del libro Harrison’s Manual of Oncology
Chabner, B.; Zuckerman, D. (2009). Mecanismo de acción de las camptotecinas [Figura 4].
Imagen tomada del libro Harrison’s Manual of Oncology.

Además de la camptotecina como tal, posteriormente se hicieron diversos estudios donde se investigaron nuevos venenos como drogas más efectivas, las cuales presentan generalmente una mayor actividad antitumoral y menor toxicidad (Slichenmyer y col., 1993).Estos son el irinotecan y topotecan, empleados para múltiples tipos de cáncer. Ambos análogos semisintéticos de esta. 

El primero se emplea en el tratamiento del cáncer de colon metastásico, y ha sido incorporado para tratar el cáncer de pulmón de células pequeñas, cánceres ginecológicos y otras enfermedades malignas que afectan a la parte superior del tubo digestivo, así como al glioblastoma multiforme (Chabner y Zuckerman, 2009).

El topotecan se usa en la quimioterapia contra el cáncer de ovario y en el cáncer pulmonar de células pequeñas (SCLC) (Chabner y Zuckerman, 2009).  Del mismo modo, es también empleado en diversos tipos de cáncer en el caso de que estos se hayan extendido a otras zonas del cuerpo o si hay un retorno de los mismos tras la radioterapia. Así cabe mencionar su uso frente al cáncer de cuello uterino. 

Asimismo, aparte de estos usos frente al cáncer, se cree que los derivados de la camptotecina pueden ser eficaces frente a determinadas enfermedades tropicales causadas por parásitos, algo que todavía se esta estudiando. (Reguera RM y col., 2007)

INHIBIDORES DE TIPO 2

Respecto a los inhibidores de tipo 2, comenzamos hablando de los ya mencionados, denominados como venenos. Estos tienen como objetivo el complejo formado por la unión de la topoisomerasa y el ADN, pueden inhibir a la topoisomerasa de eucariotas, como es el caso de la amsacrina y el etopósido, aunque también existen aquellos que actúan en bacterias, como las fluoroquinolonas.

Las quinolonas son un grupo de agentes antimicrobianos sintéticos, numeroso y químicamente muy heterogéneo, son antibióticos cuyo blanco primario son la ADN girasa en organismos Gram negativos y la topoisomerasa IV en organismos Gram positivos (Hooper, 2001).

Comenzando por aquellos que actúan a nivel de la topoisomerasa de eucariotas, el etopósido es un compuesto semisintético utilizado en la quimioterapia para cánceres como el sarcoma de Kaposi, cáncer de pulmón, cáncer testicular, linfoma y otros. A menudo se da en combinación con otros medicamentos. Actúa mediante su unión al complejo entre el DNA y la enzima, inhiben la actividad de religado de la enzima y mantienen las roturas de las hebras (Minford J. y col, 1986). 

Chabner, B.; Zuckerman, D. (2009). Estructura molecular del etopósido [Figura 5]. Imagen tomada del libro Harrison’s Manual of Oncology 
Chabner, B.; Zuckerman, D. (2009). Formación de las roturas de las hebras simple y doble por acción de la topoisomerasa II (TOP II) y prevención del resellamiento de la rotura en presencia de etopósido (▲) [Figura 6]. Imagen tomada del libro Harrison’s Manual of Oncology 

Dentro de este grupo encontramos también otro medicamento, amsacrina, un potente agente intercalante, con especificidad para pares de bases A-T. Podemos definir estos agentes como moléculas planas e hidrófobas que se insertan entre los pares de bases apilados de la doble hélice del ADN, por lo común forzando su apertura y un desenrollamiento parcial, reduciendo la torsión. Es eficaz en el tratamiento de leucemias agudas y linfomas malignos, pero tiene poca actividad en el tratamiento de tumores sólidos. Se utiliza con frecuencia en combinación con otros agentes antineoplásicos en quimioterapia.

Estructura química de la amsacrina. [Figura 7].  Recuperado de https://it.m.wikipedia.org/wiki/Amsacrina

En cuanto a los venenos procarióticos cabe mencionar el ciprofloxacino, una fluoroquinolona que se utiliza como un agente antibiótico en el tratamiento de infecciones bacterianas (Zhang GF y col., 2018), como aquellas que afectan al tracto urinario o la neumonía. Inhibe tanto la DNA girasa como la topoisomerasa IV (Pietsch F y col., 2017), enzimas esenciales para la replicación, transcripción, recombinación y reparación del ADN.

En la Figura 9, se muestran las diferencias en la replicación del ADN, a partir de cada una de las dos cadenas originales se fabrica una nueva cadena complementaria. Para que esto pueda ser así, las cadenas originales tienen que desenrollarse. Si la ADN girasa no funciona (si está inhibida), el ADN original no se puede desenrollar y termina rompiéndose. Eso es lo que sucede si una bacteria intenta dividirse en presencia de ciprofloxacino y, por lo tanto, acaba muriendo.

Estructura química del ciprofloxacino. [Figura 8].  Recuperada de https://ca.m.wikipedia.org/wiki/Ciprofloxacina
Velasco Benito, E. (2014, 30 septiembre). Mecanismo de acción de la ADN girasa [Figura 9] Recuperado de https://biomedvinetas.wordpress.com/2014/09/30/antibioticos-i-el-arma-definitiva-contra-las-infecciones-o-eso-pensabamos

Por otra parte, encontramos los inhibidores catalíticos, estos incluyen compuestos muy diversos estructuralmente que interfieren, como ya se ha citado, con la topoisomerasa II (aún no se han identificado este tipo de inhibidores específicos para la topoisomerasa I). Estos pueden actuar como antagonistas de los venenos de la topoisomerasa II (Andoh e Ishida, 1998), entre ellos encontramos la merbarona (Drake y col., 1989a), fostriecina (Boritzki y col., 1988), novobiocina (Utsumi y col., 1990), aclarubicina (Jensen y col., 1991), o suramin (Bojanowski y col., 1992), de los cuales pasaremos a explicar los dos últimos. En este caso, sus mecanismos de acción sobre la enzima y citotoxicidad aún están poco definidos. 

La aclarrubicina es un agente anticancerígeno empleado clínicamente en el tratamiento de la leucemia mielocítica aguda. Se trata de un fuerte agente intercalante de ADN que impide la unión de la topoisomerasa II a este (Sorensen y col., 1992). Además, en estudios posteriores se ha demostrado que también inhibe la topoisomerasa I. 

Larsen, A. K., Escargueil, A. E., & Skladanowski, A. (2003). Estructura química de la aclarubicina. [Figura 10].
Recuperado de
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/12888111

En cuanto al suramin, se trata de un compuesto empleado para tratar a pacientes con cáncer de próstata refractario hormonal y, más recientemente, se ha empleado para tratar gliomas de alto grado (Calvo y col., 2001; Grossman y col., 2001; Knox y Moore, 2001). Actúa inhibiendo la actividad catalítica de la topoisomerasa II, impidiendo la unión de la enzima al ADN (Bojanowski y col., 1992).

Larsen, A. K., Escargueil, A. E., & Skladanowski, A. (2003). Estructura química del suramin. [Figura 11].
Recuperado de
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/12888111

REFERENCIAS

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