Topoisomerases: What is their job and how they can be used to fight cancer. [Eng/Ger]

in science •  9 months ago

These important nuclear enzymes that unwind your DNA are a not only fascinating, but also a target of chemotherapy.


Für die deutsche Zusammenfassung bitte scrollen, scrollen und dann nochmals scrollen. ;-)


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DNA strands like the ones you can see on this picture from pixabay are in reality twisted and tightly packed.

Intro

Today I’ll try to write something a little more challenging – the topic does not really belong to the field of toxicology, but is rather part of molecular biology. I find it fascinating nevertheless and moreover, it’s part of my own research!
Please tell me in the comments whether you like to read stuff like that as well, or if I should keep it strictly to tox-blogs and supplement bashing. ;-)

Hi, ho, let’s go:

The need to pack and unpack the DNA

If you would stretch it to its maximum, the human genome - meaning the whole set of genes we carry - would be 1.8 meters long (about 6 feet for my SI-oblivious anglo-american readers^^). However, it has to fit into a cell nucleus with a diameter of about 0.000006 meters (6 µm).
To make that possible, our DNA is drilled, wound into itself and tightly packed.

But that generates new problems:

  • The excessive winding generates knotting and torsional stress. Imagine you twist and turn a long, thin chain over and over again. It will be knotted very soon and eventually – when the twisting continues – break. Which is catastrophic if your life depends on it, just as it is literally the case with your genome.
  • If cellular machines want to read the DNA, for example to copy it or to translate it into proteins, it has first to be unpacked again to make it accessible for those machineries.

And that is when topoisomerases - let's call them Topos from now on – join the party.

What are Topos doing?

Those nuclear enzymes have an important job: they unwind the DNA. In fact, the job is so important that Topos are highly conserved - that means they are found in every single life form on our planet in very similar versions.

How they do this gives a toxicologist the creeps: They break the DNA.
Normally, when the DNA breaks, we call that "genotoxicity". And that's bad. Connected to mutations, the development of cancer and shit like that. UV radiation does it, several extremely toxic chemicals do it. It's neither funny nor irrelevant.

And yes, you read right. The very system to protect against torsional DNA breaks does so by breaking the DNA on purpose, in a controlled way. It works like this:
Topos induce a DNA single (Topo type I) or even double (Topo II) strand break. Then they hold the ends of the broken DNA tight, while it can twist 360° (Topo I) or pass through another DNA strand (Topo II, see picture below). Afterwards, they rejoin the broken DNA ends again, so that no damage persists.
In that way, they are able to reduce torsional stress, to separate knotted chromosomes and to unpack DNA for copying and protein synthesis.

Turning Topos into poisons

But Topos, as many other enzymes, can be inhibited by chemical compounds. Differently to other enzymes, it’s not just that they stop working when they are inhibited. When Topos are inhibited at a special point of their catalytic cycle, they turn hazardeous - we toxicologists call situations like that "enzyme poisoning".

The catalytic cycle of Topoisomerase II, taken and slightly modified from my own scientific paper. Topo II first binds to the DNA, cuts it by using ATP, leads a second strand through the gap, rejoins the strand and finally releases the DNA. A Topo poison inhibits strand rejoining.

Why is that? As I told you above, Topos generate a DNA strand break and repair it after their job is done. But there are compounds that stabilize the complex between Topo and DNA and prevent the enzyme from repairing the DNA. If that happens, the DNA strand break is made persistant, because the bulky complex between Topo and DNA will collide with other proteins and cellular structures and so after some time, the Topo will dispatch from the DNA even as the repair isn’t finished.

As said before, DNA damages might lead to mutations and to the development of cancer.
So this so-called “Topo poisoning”, that is caused by some food contaminants (e.g. the mycotoxin alternariol) is something you don’t want to see at all under normal circumstances.

Topo poisons in chemotherapy

But when you already have cancer, the situation might look very different. Topoisomerases are extremely important for fast-growing cells, as they help to separate newly produced chromosomes, a process without which a cell can’t divide itself.
And cancer cells are defined as being ultra-fast growers. So if you inhibit Topos, you inhibit cell growth and division, which hurts cancer cells much more than regular cells.

For that reason, researchers came up with the idea to use very potent synthetic Topo poisons as chemotherapeutic drugs – and it worked out so well that there are many of those on the market nowadays. The most important examples are:

  • irinotecan, a Topo I inhibitor, for lung and colon cancer
  • etoposide, a Topo II inhibitor, for different cancers including leukemia
  • doxorubicin, another Topo II – targeting drug

The problem of resistance and a novel solution

Although these chemotherapeutics were quite successful, there is a major downside: Cancer cells acquire resistance against Topo inhibition by producing more of the non-targeted Topo subtypes. So for example, if you treat a cancer with etoposide which targets Topo II, cells will react and produce much more Topo I after a while, which lets them regain a good part of their proliferating abilities.

A quite novel solution to this are so-called “dual” topoisomerase inhibitors – chemicals that inhibit both Topo I and Topo II. Several of them are tested for medical use at the moment, one of them, a compound called “P8-D6”, passed my lab – I had a master student working with it and we will publish some new data about it soon, together with its inventors - our cooperation partners from the University of Kiel, Germany.

Conclusion

Topoisomerases are enzymes that your body urgently needs to keep your DNA intact and enable proper DNA reading and separation.
Topoisomerase inhibition leads to DNA damages that ultimately might lead to cancer – so compounds that are able to do this, like certain mold toxins, are considered dangerous.
But such inhibotors can also be used to battle already existing cancer, and quite a few chemotherapeutic drugs target this enzymes.

A lot of research is still put into Topo inhibitors to overcome existing problems.

A last question:

Now tell me: Was this too much detail? Could you still follow and if yes, was it interesting or a bore? I need your feedback on this to see how sophisticated I can get with blogging^^


Additional sources:

Reviews 1,2,3 about Topos.


Deutsche Zusammenfassung:

Intro

Heute wird's etwas herausfordernder und molekularbiologischer, als ihr das von mir gewöhnt seid - aber ich finde Topoisomerasen hoch spannend und v.a. arbeite ich selbst in dem Themengebiet, also hab ich mir gedacht, ich probier's einfach mal.
Teilt mir dann einfach in den Kommentaren mit, ob es euch zu viel war. Ich versuche wie immer die deutsche Version etwas kürzer zu halten, wer mehr Details will, muss halt Englisch lesen.

Los geht's:

Was sind Topoisomerasen und warum sind sie notwendig?

Würde man das menschliche Genom komplett strecken, wäre es ca. 1,80 m lang. Da es aber in einen Zellkern passen muss, der einen Durchmesser von ca. 0,000006 m (6 µm) hat, ist unsere DNA ineinander verdreht und dicht gepackt.

Dieser Umstand stellt die Zelle vor neue Herausforderungen, da die DNA jedesmal wieder entpackt werden muss, wenn sie gelesen werden soll. Außerdem führt die intensive Verdrillung zum Aufbau von Torsionsspannungen, durch die DNA brechen kann, was schlimme Konsequenzen mit sich bringen würde.

Darum gibt es in allen irdischen Lebensformen Mechanismen, um die DNA wieder zu entwirren - und eine zentrale Rolle dabei spielen spezielle Enzyme, die Topoisomerasen - nennen wir sie ab jetzt der Kürze halber einfach Topos.

Wie funktionieren Topos?

Der Mechanismus, durch den Topos unsere Gene entwirren, stellt Toxikologen erstmal die Haare auf. Sie brechen sie nämlich! - aber eben kontrolliert.
Wie ihr in der Skizze weiter unten sehen könnt, bindet die Topo zuerst an die DNA. Dann wird die DNA kontrolliert geschnitten, wobei das Enzym aber beide entstehenden Enden festhält. Der enstandene Schnitt erlaubt es der DNA, sich durch Drehung zu entspannen oder einen anderen DNA-Strang zu passieren, was die Gene entwirrt. Ist dies abgeschlossen, repariert die Topo den Strangbruch wieder und löst sich von der DNA.


Der katalytische Zyklus der Topo II.

Topo Giftung

Was prizipiell ein faszinierender Mechanismus ist, unser Genom intakt und funktionsfähig zu halten, kann sich ins Bösartige verkehren, wenn der Prozess an einer bestimmten Stelle gehemmt wird. Sogenannte "Topo-Gifte" sind Chemikalien, die durch Stabilisierung des DNA/Topo-Komplexes verhindern, dass die Topo den Schnitt in der DNA reparieren kann.
Das führt dazu, dass der genetische Schaden in der Zelle präsent bleibt, was bei häufigem Auftreten zu Mutationen und der bösartigen Entartung von Zellen (=Krebs) führen kann.

Ein Beispiel für einen Stoff, der auf diese Art toxisch wirkt, ist das Schimmelpilzgift Alternariol.

Topo Gifte in der Chemotherapie

Wenn man allerdings schon Krebs hat, sieht die Situation anders aus. Chemotherapeutische Medikamente sind oft hochgiftig - aber eben noch giftiger für Krebszellen als für normale Zellen, wodurch ein Tumor bekämpft werden kann.

Krebszellen sind besonders auf Topos angewiesen, weil sie sich viel schneller teilen als gesunde Zellen, und Topos sehr wichtig bei der Zellteilung sind, wo sie die neu entstandenen Chromosomen von den "alten" Chromosomen trennen, die zuvor ineinander verknotet vorliegen.

Daher sind Topo-Gifte noch schädlicher für Tumorzellen, und mehrere synthetische Substanzen aus dieser Klasse sind für die Verwendung als Medikament zugelassen, wie z.B. Irrinotecan, Etoposid oder Doxorubicin.

Das Problem mit der Resistenz und ein neuer Lösungsansatz

Ein Problem mit der Chemotherapie im allgemeinen ist, dass Krebszellen sich nach einer gewissen Zeit oft anpassen und gegen die Gifte restistent werden. Bei Topos läuft das so:
Es gibt 2 Subtypen, die Topo I und die Topo II. Gängige Medikamente zielen auf jeweils einen Subtyp. Wenn man einen Tumor aber lange genug z.B. mit einem Topo II Gift behandelt, beginnen die Zellen, so zu mutieren, dass sie wesentlich mehr Topo I produzieren, die dann einen Teil der Aktivität der Topo II übernimmt, wodurch die therapeutische Wirkung abnimmt.

Um das Problem zu lösen, wurden in den letzten Jahren ein paar Stoffe entwickelt, die beide Subtypen angreifen. Ein Beispiel dafür ist “P8-D6”, an dem meine Arbeitsgruppe (nicht falsch verstehen, ich gehöre dazu, ich bin NICHT der Chef der Gruppe^^) in Kooperation mit der Universität Kiel gerade herumtestet.
Wir sind noch im Anfangsstadium, aber erste Ergebnisse sind durchaus vielversprechend.

Conclusio und abschließende Worte

Topos sind elementare Enzyme, die über einen faszinierenden Mechanismus dafür sorgen, dass Entpackung der DNA funktioniert und der Torsionsstress nicht zu groß wird.
Ihre Hemmung führt zu großen Problemen, kann allerdings in der Chemotherapie gezielt eingesetzt werden, um Krebs zu bekämpfen.

Ich hoffe die heutige Exkursion hat euch gefallen - Lob&Kritik sind in den Kommentaren gern gesehn!


Quellen bitte dem englischen Text entnehmen


Disclaimer: In my blog, I'm stating my honest opinion as a researcher, not less and not more. Sometimes I make errors. Discuss and disagree with me - if you are bringing the better arguments, I might rethink.


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That was very easy to follow and understand!! Just to throw in a fun fact : Just as you mentioned disrupting the topoisomerase enzyme can be catastrophic for humans, we brilliantly use this concept to combat certain bacterial infections with the Quinolone family antibiotics such as ciprofloxacin!!

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Ty for your comment.

That was very easy to follow and understand!!

Yea, but you're doing mol.bio. yourself.^^ I think for you, I could have made it much more detailed.

we brilliantly use this concept to combat certain bacterial infections

That's actually true. Ciprofloxacin targets gyrase, which is a special form of bacterial type II topoisomerase. Thanks for pointing that out.

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but you're doing mol.bio. yourself.

I'm actually a fresh medical graduate haha ^^

But yeah, I think even for relative beginners, this shouldn't have been too difficult if they had a basic understanding of the semi conservative replication.

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Good. Then I can further increase complexity. muahahaha

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Hehehe looking forward to it :D

I would love to read all about molecular biology to revise my knowledge. Your way of explaining is amazing. I understood many things which i didn't before. I would love to read in details more about molecular, its not boring (at least for me).

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Good to know, thanks for commenting.

Schön und kompakt erklärt! Hast mich auf die Idee gebracht, vl mal einen Post übers Klonen zu machen :D
Allerdings müsste ich mich dafür echt gut einlesen, das ist zeitlich leider grad nicht drin..

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das ist die Crux mit den Sachen, über die man zwar so ein bisschen eine Ahnung hat, wo man dann aber doch intensiv in die Literatur gehen muss.
Der Vorteil: Man lernt echt viel. ;-)

Danke fürs kommentieren!

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Das stimmt! Und ist echt ein furchtbar interessantes Thema, wissenschaftlich wie ethisch..

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Da tun sich Möglichkeiten zum schreiben auf und ich fühle regelrecht deine Finger kribbeln... Freu mich schon auf den Post! :P

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Haha ich muss mich regelrecht zwingen bis nach der Prüfungszeit zu warten ;)

Very useful information @sco From all I know, the topoisomerases and gyrases somehow prevent or reduce tangling? but I don't really understand what they do exactly or how they do it. My professor just brushed on the topic for a bit, saying it was something akin to winding two strings together, with the enzymes preventing knotting of the string.

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well then read my post, I explained it ;-)

Toller Post :) Ist echt gut zu lesen und das Prinzip von Topo ist gut nachzuvollziehen.

A very nice article. Thanks for sharing with us.

I really liked this topic :) great research! PhD or post-doc? I'm becoming an oncologist so for me this is a really interesting topic.

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At the time I worked with P8-D6 I was a PhD, nowadays I call myself Dr. Sco, post doc.^^