探索拓扑异构酶的奥秘：从基础研究到肿瘤治疗

探索拓扑异构酶的奥秘：从基础研究到肿瘤治疗

拓扑异构酶在生物过程中扮演着关键角色，它负责解开DNA的超螺旋结构，进而调节DNA的转录、复制以及基因表达。当科学家发现能够特异性地抑制DNA拓扑异构酶的活性时，这一发现带来了肿瘤治疗的新希望。这种抑制能够阻断DNA的复制过程，导致DNA断裂，最终促使肿瘤细胞走向凋亡。因此，拓扑异构酶抑制剂成为了抗肿瘤药物研发中的重要一员，为癌症治疗提供了有力的工具。

在生物体中，DNA一般以双链的形式稳定存在。DNA在复制的过程中，第一步要先解旋成单链，但是，就像两根很长的绳子缠绕在一起，解开的时候有的地方有时会不小心打个死结，这时候就需要一位“剪刀手”将其解开，而细胞中这位“剪刀手”就是拓扑异构酶；它能够将打死结的DNA解开，再重新给接上！

图1：拓扑异构酶

Topoisomerase的性质

拓扑异构酶（Topoisomerase）是存在于细胞核内的一类酶，是DNA复制或转录中不可或缺的关键酶，其主要功能就是对DNA进行切割回旋再连接，使DNA顺利解旋。哺乳动物中存在拓扑异构酶I（Top I）和拓扑异构酶II（Top II）两种类型，它们分别作用于单链DNA与双链DNA。Top I包括IA, IB和IC三个亚型；Top II包括IA和IB两个亚型。而低等真核生物与原核生物，如细菌、病毒与单细胞生物酵母菌等，它们仅有Top I而没有Top II。

图2：拓扑异构酶分类

拓扑异构酶作用机制

虽然，拓扑异构酶I是一个非ATP依赖性的酶，但反应过程中不需要ATP分子供能。拓扑异构酶I切断单链DNA之后，与末端的DNA片段非共价地形成一种暂时性的易解离复合物中间体（酶-DNA断裂复合物），释放完压力后，再将切口重新连接起来。拓扑异构酶II是一个ATP依赖性的酶，每反应一次需要两个ATP分子。拓扑异构酶II作用于双链DNA，将其切断并重新连接，这种反应是可逆的,这一过程主要是释放真核DNA的正超螺旋压力。它们催化DNA 分子在双螺旋基础上的超螺旋状态和解螺旋状态之间的相互转化，且不发生碱基组成、数目及顺序的变化。

图3：拓扑异构酶的作用机制

拓扑异构酶抑制剂

相比于正常细胞，肿瘤细胞中拓扑异构酶的含量及活性均显著提高，因此拓扑异构酶是抗肿瘤药物优良的作用靶点。Top Ⅰ与Top Ⅱ抑制剂都有着相似的作用机制，可与酶-DNA断裂复合物共价形成稳定的酶－药物－DNA三联复合物，使DNA片段发生不可逆的断裂。一旦这些永久性断裂在遗传中产生，它们便成为基因重组和修复的靶点，刺激子代姐妹染色体发生交换，大片段基因的插入与缺失最终引起染色质的移位和畸变，从而导致细胞凋亡。因其在肿瘤细胞中高表达而成为临床肿瘤治疗靶点。以拓扑异构酶为靶点，干扰DNA复制而发挥抗肿瘤作用的药物有：喜树碱（Top Ⅰ抑制剂）、鬼臼毒素（TopⅡ抑制剂）、依托泊苷（TopⅡ抑制剂）、多柔比星（TopⅡ抑制剂）、盐酸拓扑替康（Top Ⅰ抑制剂）和伊立替康（Top Ⅰ抑制剂）等。另外，许多沙星类抗生素同样也是以拓扑异构酶作为靶点，发挥抗菌活性，如盐酸芦氟沙星（TopⅡ抑制剂），盐酸莫西沙星（TopⅡ抑制剂）和盐酸加替沙星（TopⅡ抑制剂）。由于拓扑异构酶抑制剂拥有良好的抗肿瘤与抗菌活性，因此临床上也有许多药物以拓扑异构酶作为靶点。下表总结了目前正在进行临床实验的拓扑异构酶抑制剂。

表1:临床研究中的拓扑异构酶抑制剂（数据来源: 药渡）

拓扑异构酶抑制剂在肿瘤化疗中占据重要地位，然而，其应用仍面临两大挑战：显著的毒性和耐药性问题。此外，目前市场上的大部分抑制剂仅针对Top Ⅰ或TopⅡ中的一个靶点，这种局限性导致了临床治疗效果的减弱。为了克服这些障碍，未来的研究应当聚焦于开发新型的Top Ⅰ/TopⅡ双重抑制剂。这种双重抑制剂不仅能提高治疗效果，而且有望降低药物的毒副作用，为肿瘤患者带来更为安全、有效的治疗选择。

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