As topoisomerases tipo II são topoisomerases que cortam ambas as cadeias da hélice do ADN simultaneamente para solucionar os enredos e superenrolamentos do ADN. Utilizam a hidrólise do ATP, ao contrário da topoisomerase tipo I. Neste processo, estas enzimas alteram o número de ligação (ou índice de ligação) do ADN circular em ±2. As topoisomerases são enzimas ubiquas, encontradas em todos os organismos vivos.
Em animais, a topoisomerase II é um alvo da quimioterapia. Em procariotas, a girase é um alvo antibacteriano. Estas enzimas são interessantes para uma ampla variedade de efeitos.
As topoisomerases tipo II aumentam ou diminuem o número de ligação de um ciclo de ADN em 2 unidades, e promovem o desenredar dos cromossomas. Por exemplo, a ADN girase, uma topoisomerase de tipo II de Escherichia coli e da maioria dos demais procariotas, introduz superenrolamentos negativos e diminui o número de ligação em 2. A girase também pode eliminar os nós do cromossoma bacteriano. Juntamente com a girase, a maioria dos procariotas também contém uma segunda topoisomerase tipo IIA, denominada topoisomerase IV. A girase e a topoisomerase IV diferenciam-se nos seus domínios C-terminais, que se crê determinarem a especificidade do substrato e a funcionalidade destas duas enzimas. A determinação das impressões da girase (footprints) indica que a girase, que forma uma impressão de 140 pares de bases e envolve o ADN, introduz superenrolamentos negativos, enquanto a topoisomerase IV, que as forma de 28 pares de bases, não envolve o ADN.
As topoisomerases tipo II eucariotas não podem introduzir superenrolamentos; apenas podem relaxá-los.
As funções das topoisomerases tipo IIB são menos conhecidas. Ao contrário das topoisomerases de tipo IIA, as de tipo IIB não podem simplificar a topologia do ADN (ver abaixo), mas partilham várias características estruturais com as topoisomerases IIA.
As topoisomerases tipo IIA são essenciais para a separação de cadeias filhas enredadas durante a replicação. Crê-se que esta função é realizada pela topoisomerase II em eucariotas e pela topoisomerase IV em procariotas. Falhas no momento de separar estas cadeias originam a morte da célula. As topoisomerases tipo IIA têm a capacidade especial de relaxar o ADN a um estado abaixo do equilíbrio termodinâmico, uma característica diferente da apresentada pelas topoisomerases de tipo IA, IB e IIB. Esta capacidade, conhecida como simplificação da topologia, foi identificada por Rybenkov et al. A hidrólise do ATP causa esta simplificação, mas ainda não se conhece um mecanismo molecular claro para a mesma. Foram propostos vários modelos para explicar este fenómeno, incluindo dois modelos que dependem da capacidade das topoisomerases tipo IIA de reconhecer duplexes de ADN dobrados. A bioquímica, a microscopia eletrónica e as recentes estruturas conhecidas de topoisomerases II ligadas ao ADN revelam que as topoisomerases tipo IIA se ligam aos ápices do ADN, o que apoia este modelo.
Existem duas subclasses de topoisomerase de tipo II: IIA e IIB.
As topoisomerases tipo IIA compreendem as enzimas ADN girase, topoisomerase II eucariota (topo II), e topoisomerase IV bacteriana (topo IV). Estas enzimas abrangem todos os domínios da vida e são essenciais para a função.
As topoisomerases tipo IIB são distintas do ponto de vista estrutural e bioquímico, e o membro prototípico é a topoisomerase VI (topo VI). As topoisomerases tipo IIB encontram-se em arqueas e algumas plantas superiores.
Alguns organismos, incluindo os humanos, têm duas isoformas de topoisomerase II: alfa e beta. Em cancros, a topoisomerase IIα expressa-se profusamente em células proliferativas. Em certos cancros, como os tumores da bainha de nervos periféricos, a alta expressão da sua proteína codificada está também associada a um mau prognóstico de sobrevivência do paciente.
As duas classes de topoisomerases possuem um mecanismo de passagem de cadeia semelhante e estrutura de domínios (ver abaixo), mas também têm diferenças importantes. As topoisomerases tipo IIA formam quebras de cadeia dupla com extremidades coesas que sobressaem em quatro pares de bases, enquanto as topoisomerases tipo IIB formam quebras de cadeia dupla com extremidades que sobressaem em duas bases. Além disso, as topoisomerases tipo IIA podem simplificar a topologia do ADN, enquanto as tipo IIB não.


As topoisomerases tipo IIA constam de vários motivos chave:
um domínio de ATPase GHKL N-terminal (na girase, Hsp90, histidina quinase e MutL),
um domínio Toprim (uma subclasse do pregueamento Rossmann), que existe em ambos os tipos de topoisomerase II, as topoisomerases de tipo IA e a primase bacteriana (DnaG),
um núcleo central de ligação ao ADN (que forma estruturalmente uma estrutura em forma de coração), e
um domínio C-terminal (CTD) variável.
As topoisomerases tipo II eucariotas são homodímeros (A2), enquanto as procariotas são heterodímeros (A2B2). Os procariotas têm um domínio ATPase e o pregueamento Toprim num polipéptido (Pfam PF00204), enquanto o núcleo de clivagem do ADN e o CTD estão situados no segundo polipéptido (Pfam PF00521). Na girase, o primeiro polipéptido denomina-se GyrB e o segundo polipéptido chama-se GyrA. Na topo IV, o primeiro polipéptido denomina-se ParE e o segundo ParC. Ambas as assinaturas de Pfam encontram-se na topoisomerase eucariota de uma só cadeia.
As estruturas do domínio ATPase N-terminal da girase e a região ATPase da topoisomerase II de levedurasPDB 1PVG; foram resolvidas em complexo com AMPPNP (um análogo do ATP), mostrando que dois domínios de ATPase se dimerizam para formar uma conformação fechada. Na girase, a estrutura tem um buraco substancial no meio, onde se supõe que se acomoda o segmento T (T de transporte).
Unindo o domínio ATPase ao pregueamento Toprim existe um elemento helicoidal conhecido como domínio transdutor. Pensa-se que este domínio comunica o estado nucleotídico do domínio ATPase ao resto da proteína. Modificações deste domínio afetam a atividade da topoisomerase, e o trabalho estrutural realizado pelo grupo liderado por Verdine mostra que o estado com ATP afeta a orientação do domínio transdutor.
O núcleo central da proteína contém um pregueamento Toprim e um núcleo de ligação ao ADN que contém um domínio de hélice alada (WHD), frequentemente denominado domínio CAP, já que foi identificado inicialmente como semelhante à proteína ativadora por catabolito WHD. A tirosina catalítica situa-se neste WHD. O pregueamento Toprim é um pregueamento Rossmann que contém três resíduos ácidos invariantes que se coordenam com iões magnésio implicados na clivagem e na religação do ADN. A estrutura do pregueamento Toprim e o núcleo de ligação ao ADN da topoisomerase II de leveduras foi resolvida pela primeira vez por Berger e Wang,PDB 1BGW; e o primeiro núcleo de ligação ao ADN da girase foi resolvido por Morais Cabral et al.PDB 1AB4; A estrutura resolvida por Berger revelou pistas importantes sobre a função da enzima. O núcleo de ligação ao ADN consta do WHD, o qual origina um domínio torre. Uma região superenrolada origina um domínio C-terminal que forma a principal interface do dímero para este estado cristalino (que se costuma denominar porta C). Embora a estrutura da topoisomerase II original mostre uma situação na qual os WHDs estão separados por uma grande distância, a estrutura da girase mostra uma conformação fechada, na qual os WHDs estão próximos.
O núcleo da topoisomerase II foi posteriormente resolvido em novas conformações, entre elas uma por Fass et al.PDB 1BJT; A estrutura de Fass mostra que o domínio Toprim é flexível e que esta flexibilidade pode permitir que dito domínio se coordene com o WHD para formar um complexo de clivagem competente. Isto foi finalmente solucionado pela estrutura obtida por Dong et al., que foi resolvida na presença de ADN. Esta última estrutura mostrou que o domínio Toprim e o WHD formavam um complexo de clivagem muito semelhante ao das topoisomerases de tipo IA e indicava que a ligação e clivagem do ADN podiam estar desacopladas; a estrutura obtida mostrou que o ADN estava dobrado cerca de ~150 graus à altura de uma isoleucina invariante (na topoisomerase II é a I833 e na girase é a I172). Este mecanismo de dobramento recorda o da integração do fator hospedeiro (IHF) e HU, que são duas proteínas arquiteturais de bactérias. Além disso, embora as estruturas prévias do núcleo de ligação ao ADN tivessem a porta C fechada, esta estrutura capturou a porta aberta, um passo fundamental no mecanismo de duas portas (ver abaixo).
Mais recentemente, resolveram-se várias estruturas com ADN ligado numa tentativa de compreender tanto o mecanismo químico para a clivagem do ADN como as bases estruturais da inibição da topoisomerase por venenos antibacterianos. A primeira arquitetura completa da ADN girase de Escherichia coli foi resolvida por microscopia crioeletrónica a uma resolução quase atómica. O complexo da nucleoproteína foi capturado com um longo duplex de ADN e gepotidacina, um novo inibidor de topoisomerase bacteriano.
A região C-terminal das topoisomerases procariotas resolveu-se em muitas espécies. A primeira estrutura de um domínio C-terminal da girase foi resolvida por Corbett et al.PDB 1SUU; As estruturas formavam um novo barril beta, que dobra o ADN ao envolver o ácido nucleico ao seu redor. Propôs-se que o dobramento do ADN pela girase era um mecanismo chave na capacidade da girase de introduzir superenrolamentos negativos no ADN. Isto é consistente com dados de impressões da girase que mostram que esta tem uma impressão de 140 pares de bases. Tanto os domínios C-terminais da girase como da topoisomerase IV dobram o ADN, mas apenas a girase introduz superenrolamentos negativos.
Ao contrário da função bem conhecida do domínio C-terminal das topoisomerases procariotas, a função desta região na topoisomerase II eucariota ainda não é clara. Estudos sugeriram que esta região é regulada por fosforilação e que isto modula a atividade da topoisomerase, embora seja necessária mais investigação.

A organização das topoisomerases tipo IIB é semelhante à das de tipo IIA, exceto que todas as de tipo IIB procedem de dois genes e formam heterotetrámeros. Um gene, denominado topo VI-B (já que recorda a gyrB), contém o domínio de ATPase, um domínio transdutor (Pfam PF09239), e um domínio H2TH de pregueamento semelhante a Ig C-terminal (Pfam PF18000). O segundo gene, denominado topo VI-A (Pfam PF04406), contém o WHD e o domínio Toprim.
O domínio ATPase da topo VI B foi resolvido em muitos estados nucleotídicos.PDB 1MU5; Recorda estreitamente o domínio GHKL da topo II e MutL e mostra que o estado nucleotídico (ADP face a ATP) tem efeitos na orientação do domínio transdutor.
A estrutura da topo VI-A foi resolvida por Bergerat et al. mostrando que o HTH e o pregueamento Toprim têm uma nova conformação comparada com a da topo IIA.
Recentemente foi resolvida uma estrutura do complexo topo VI A/B, mostrando uma conformação aberta e fechada, que são dois estados previstos pelo mecanismo de duas portas (ver abaixo). Estas estruturas, das quais uma é uma estrutura de cristalografia de raios X e a outra é uma reconstrução de dispersão de raios X de ângulo pequeno (SAXS), mostram que o domínio ATPase pode estar aberto ou fechado.PDB 2Q2E;
A topoisomerase tipo IIA opera através de um mecanismo de "duas portas" ou cancelas (two gates, que é uma notação histórica), que é apoiado pela bioquímica
Uma cadeia de ADN, chamada porta (gate) ou segmento G, liga-se a uma porta de ligação ao ADN central (porta ADN). Uma segunda cadeia de ADN, chamada transporte ou segmento T, é capturada por dimerização do domínio ATPase N-terminal (porta ATPase) quando se ligam duas moléculas de ATP. A hidrólise de ATP e a libertação de um fosfato inorgânico leva à clivagem do segmento G, e as tirosinas catalíticas formam uma ligação fosfotirosina covalente na extremidade 5' do ADN. Isto cria um troço coeso de quatro bases e uma quebra de cadeia dupla no segmento G. À medida que a porta de ligação ao ADN se separa, o segmento T é transferido através do segmento G. O segmento G é selado, fazendo com que a porta C-terminal (porta C) se abra, permitindo a libertação do segmento T. A libertação do produto ADP origina a reinicialização do sistema e permite que seja capturado um segundo segmento T.
As topoisomerases tipo IIB funcionam de forma semelhante, exceto que a proteína forma uma extremidade coesa de duas bases no segmento G e a porta C-terminal está completamente ausente.
No mecanismo de passagem da cadeia, a clivagem do ADN é essencial para que o segmento T possa ser transferido através do segmento G. O mecanismo de clivagem do ADN pelas topoisomerases tipo IIA foi recentemente objeto de muitos estudos bioquímicos e de biologia estrutural.
A catenação é o processo pelo qual duas cadeias de ADN circulares se ligam entre si como elos de uma corrente. Isto ocorre após a replicação do ADN, onde duas cadeias simples se concatenam e podem continuar a replicar-se mas não separar-se em células filhas distintas. Como as topoisomerases tipo II podem quebrar uma cadeia dupla, podem reparar esse estado (as topoisomerases tipo I apenas podem fazer isto se já houver uma incisão de cadeia simples), e a célula filha pode continuar a ter o número correto de cromossomas. O ADN linear em eucariotas é tão longo que pode ser considerado na prática como se não tivesse extremidades; as topoisomerases tipo II são necessárias por essa razão.
As pequenas moléculas que se ligam às topoisomerases tipo II dividem-se em duas classes: inibidores e venenos. Devido à sua presença frequente nas células eucariotas proliferativas, os inibidores das topoisomerases tipo II foram estudados intensamente e utilizados como medicamentos contra o cancro.
Entre os inibidores das topoisomerases tipo II estão o HU-331, ICRF-187, ICRF-193 e mitindomida. Estas moléculas funcionam inibindo a atividade de ATPase ao atuarem como inibidores não competitivos para o ATP. Isto foi demonstrado em estudos estruturais e bioquímicos realizados pelo grupo de Lindsley.
Entre os venenos que afetam as topoisomerases tipo II estão a doxorrubicina, o etopósido, a novobiocina, as quinolonas (incluindo a ciprofloxacina) e o tenipósido. Estas pequenas moléculas ligam-se ao complexo ADN-proteína. Algumas destas moléculas levam ao aumento da clivagem, enquanto outras, como o etopósido, inibem a religação.
O fármaco antitumoral experimental m-AMSA (4'-(9'-acridinilamino)metanossulfon-m-anisidida) também inibe a topoisomerase tipo II. Os venenos de topoisomerases têm sido amplamente usados em terapias anticancerígenas e antibacterianas. Embora os compostos antibacterianos como a ciprofloxacina afetem a girase bacteriana, não conseguem inibir as topoisomerases tipo IIA eucariotas. Além disso, as bactérias resistentes a fármacos têm frequentemente uma mutação pontual na girase (Serina79Alanina em E. coli) que faz com que as quinolonas não sejam eficazes.[carece de fontes] Estudos estruturais recentes levaram à descoberta de um composto que já não depende destes resíduos e, portanto, é eficaz contra as bactérias resistentes a fármacos.[carece de fontes]
A girase do bacteriófago T4 (uma topoisomerase tipo II) é uma proteína multissubunidade que consta dos produtos dos genes 39, 52 e provavelmente 60. Catalisa o relaxamento do ADN super-helicoidal negativo ou positivo e é empregada na replicação do ADN do fago durante a infeção do hospedeiro bacteriano E. coli. O gene da proteína 52 do fago partilha homologia com a subunidade gyrA da girase de E. coli e o gene da proteína 39 do fago partilha homologia com a subunidade gyrB. Como a ADN girase do hospedeiro E. coli pode compensar parcialmente a perda dos produtos do gene do fago T4, os mutantes defectivos nos genes 39, 52 ou 60 não suprimem completamente a replicação do ADN do fago, mas atrasam o seu início. A velocidade de elongação do ADN não é tão lenta como no tipo selvagem nessas infeções por mutantes. Os mutantes defectivos nos genes 39, 52 ou 60 mostram um aumento da recombinação genética, bem como um aumento das mutações por substituição de bases e deleçãos, sugerindo que a síntese de ADN compensada pelo hospedeiro é menos exata do que a dirigida pelo fago de tipo selvagem. Um mutante defectivo no gene 39 mostra um aumento de sensibilidade à inativação por irradiação ultravioleta durante o estágio de infeção do fago após a iniciação da replicação do ADN, quando estão presentes muitas cópias do cromossoma do fago. Os mutantes defectivos nos genes 39, 52 e 60 apresentam uma redução da capacidade de levar a cabo a reativação de multiplicidade, uma forma de reparação recombinacional que pode lidar com diferentes tipos de danos no ADN.A especificidade da girase pelo genoma de bactérias E. coli não infetadas também parece participar na reparação recombinacional, proporcionando um ponto de iniciação para o intercâmbio de cadeias recíproco impulsionado pela proteína RecA.