Дезоксирибонуклеаза ( сокращенно ДНКаза ) относится к группе гликопротеиновых эндонуклеаз , которые представляют собой ферменты , которые катализируют гидролитическое расщепление фосфодиэфирных связей в основной цепи ДНК , тем самым разрушая ДНК. Роль фермента ДНКазы в клетках включает разрушение внеклеточной ДНК (вкДНК), выделяемой в результате апоптоза , некроза и нейтрофильных внеклеточных ловушек (NET) клеток, чтобы помочь уменьшить воспалительные реакции, которые в противном случае возникают. Известно большое разнообразие дезоксирибонуклеаз, которые относятся к одному из двух семейств ( ДНаза I или ДНКаза II ), которые различаются субстратной специфичностью, химическими механизмами и биологическими функциями. Лабораторные применения ДНКазы включают очистку белков при их извлечении из прокариотических организмов. Кроме того, ДНКаза применяется для лечения заболеваний, вызванных вкДНК в плазме крови. В области исследований также появляются методы анализа ДНКазы.
Два основных типа ДНКазы, обнаруженные у животных, известны как дезоксирибонуклеаза I (ДНКаза I) и дезоксирибонуклеаза II (ДНКаза II). Внутри этих двух семейств есть подкатегории.
Первый набор ДНКаз — это ДНКаза I. Это семейство состояло из ДНКазы I, DNase1L1 , DNase 1L2 и DNase1L3 . ДНКаза I расщепляет ДНК с образованием двух олигонуклеотидных конечных продуктов с 5'-фосфо- и 3'-гидрокси-концами и вырабатывается преимущественно органами пищеварительной системы . Семейство ДНКаз I требует катионов Ca2+ и Mg2+ в качестве активаторов и избирательно экспрессируется. [1] Что касается pH, семейство ДНКаз I активно при нормальном pH от 6,5 до 8.
Второй набор ДНКаз — ДНКаза II. Это семейство состояло из ДНКазы II ɑ и ДНКазы II ꞵ. Подобно ДНКазе I, ДНКаза II расщепляет ДНК с образованием двух олигонуклеотидных конечных продуктов с 5'-гидрокси- и 3'-фосфоконцами. Этот тип ДНКазы более широко экспрессируется в тканях из-за высокой экспрессии в макрофагах, но ограниченной экспрессии в клеточных типах. В отличие от ДНКазы I, им не нужны катионы Ca2+ и Mg2+ в качестве активаторов. [2] Что касается pH , семейство ДНКаз II экспрессируется при кислом pH. Характер расщепления ДНКазы II изменяется в присутствии диметилсульфоксида ( ДМСО ), который существенно влияет на структуру ДНК.
Хотя ДНКаза I и II являются гликопротеиновыми эндонуклеазами, ДНКаза I имеет мономерную структуру сэндвич-типа с углеводной боковой цепью, тогда как ДНКаза II имеет димерную четвертичную структуру .
Структура ДНКазы I: ДНКаза I представляет собой гликопротеин с молекулярной массой 30 000 Да и углеводной цепью из 8-10 остатков, присоединенной к Asn18 (оранжевый). [3] Это 𝛼,𝛽-белок с двумя 6-нитевыми 𝛽-складчатыми листами, которые образуют ядро структуры. [4] Эти два основных листа расположены параллельно, а все остальные — антипараллельно. Листы 𝛽-складки лежат в центре структуры, а 𝛼-спирали обозначены витками на периферии. ДНКаза I содержит четыре ион-связывающих кармана и требует Ca 2+ и Mg 2+ для гидролиза двухцепочечной ДНК. [5] Два сайта прочно связывают Ca 2+, а два других координируют Mg 2+ . Мало что было опубликовано о количестве и расположении сайтов связывания Mg 2+ , хотя было высказано предположение, что Mg 2+ расположен вблизи каталитического кармана и способствует гидролизу. [6] Два Ca 2+ показаны на изображении красным цветом. Они связываются с ДНКазой I в условиях кристаллизации и важны для структурной целостности молекулы, стабилизируя поверхностную петлю от Asp198 до Thr204 (голубой) и ограничивая область высокой термической подвижности в гибкой петле остатками от Gly97 до Gly102 ( желтый).
Структура ДНКазы II: ДНКаза II содержит гомодимерную четвертичную структуру, которая способна связывать двухцепочечную ДНК в U-образной архитектуре зажима. Внутренняя часть U-образного зажима в значительной степени электроположительная и способна связывать отрицательно заряженную ДНК. Подобно ДНКазе I, структура ДНКазы II состоит из смешанной 𝛼/𝛽 вторичной структуры с 9 𝛼-спиралями и 20 𝛽-складчатыми листами. [7] Хотя в отличие от ДНКазы I, ДНКаза II не требует ионов двухвалентных металлов для катализа. [7] Структура состоит из протомера A (голубого) и протомера B (зеленого). Каждая структура состоит из двух каталитических мотивов, которые для простоты помечены на протомере B: His100 и Lys102 составляют первый мотив (синий), а His279 и Lys281 составляют второй каталитический мотив (красный).
Некоторые ДНКазы разрезают или «расщепляют» только остатки на концах молекул ДНК. Этот тип экзонуклеазы известен как экзодезоксирибонуклеазы . Другие расщепляют в любом месте цепи, известные как эндодезоксирибонуклеазы (подгруппа эндонуклеаз ). [8] Некоторые ДНКазы довольно неразборчивы в отношении последовательности ДНК, в которой они разрезают, в то время как другие, включая ферменты рестрикции , очень специфичны к последовательности. Другие ДНКазы расщепляют только двухцепочечную ДНК , другие специфичны для одноцепочечных молекул, а третьи активны в отношении обоих.
Действие ДНКазы происходит в три фазы. На начальном этапе в фосфодиэфирном остове появляются множественные разрывы . Вторая фаза производит кислоторастворимые нуклеотиды. Третья фаза, которая является терминальной, состоит из восстановления олигонуклеотидов, вызывающего гиперхромный сдвиг в УФ-данных. [9]
ДНКаза I преимущественно нацелена на двухцепочечную ДНК и, в меньшей степени, на некоторую одноцепочечную ДНК для расщепления. ДНКаза I катализирует неспецифическое расщепление ДНК, разрывая фосфодиэфирные связи в одной из цепей. Сайт его расщепления расположен между 3'-атомом кислорода и соседним атомом фосфора, образуя 3'-гидроксильные и 5'-фосфорильные олигонуклеотиды с инверсией конфигурации фосфора. Для правильного функционирования фермент ДНКаза зависит от присутствия двухвалентного катиона , которым обычно является Ca 2+ . Активный центр ДНКазы I включает два остатка гистидина (His134 и His252) и два кислотных остатка ( Glu 78 и Asp 212), каждый из которых имеет решающее значение для общего кислотно-основного катализа фосфодиэфирных связей. [10]
Дезоксирибонуклеаза II (ДНКаза II) также известна как кислая дезоксирибонуклеаза, поскольку она обладает оптимальной активностью в среде лизосом с низким pH, где она обычно обнаруживается у высших эукариот. Некоторые формы рекомбинантной ДНКазы II проявляют высокий уровень активности при низких значениях pH и отсутствии ионов двухвалентных металлов, подобно эукариотической ДНКазе II. [7] В отличие от ДНКазы I, ДНКаза II расщепляет фосфодиэфирную связь между 5'-атомом кислорода и соседним атомом фосфора, образуя 3΄-фосфорилированные и 5΄-гидроксильные нуклеотиды.
ДНКаза обычно используется при очистке белков , экстрагированных из прокариотических организмов. Экстракция белка часто включает в себя деградацию клеточной мембраны . Обычно деградировавшая и хрупкая клеточная мембрана лизируется , высвобождая нежелательную ДНК и нужные белки. Полученный экстракт ДНК-белка очень вязкий и его трудно очистить, поэтому для его расщепления добавляют ДНКазу. [11] ДНК гидролизуется, но белки не затрагиваются, и экстракт может подвергаться дальнейшей очистке.
Внеклеточная ДНК (вкДНК) — это ДНК, которая находится в кровообращении. Он появляется в результате апоптоза , некроза или нейтрофильного внеклеточного ловушки (НЭТ)-оза клеток крови и тканей, но может возникнуть и в результате активной секреции из живых клеток. ЭкДНК и назначенные ею ДНК-связывающие белки способны активировать ДНК-чувствительные рецепторы, рецепторы распознавания образов (PRR). PRR способны стимулировать пути, вызывающие воспалительный иммунный ответ. В результате несколько исследований воспалительных заболеваний обнаружили высокие концентрации вкДНК в плазме крови. По этой причине ДНКаза оказалась возможным средством лечения снижения количества вкДНК в плазме крови. ДНКазы могут выводиться как внутриклеточно, так и внеклеточно и расщеплять фосфодиэфирную связь ДНК . Эту функцию можно использовать для поддержания низкой концентрации вкДНК и, следовательно, для лечения воспаления. Заболевания, возникающие из-за остатков ДНК в крови, лечатся с помощью «разрушающих свойств» ДНКазы. Исследования показали, что ДНКаза может действовать как лечебное средство, уменьшая вязкость слизи. [12] [13] Введение ДНКазы варьируется в зависимости от заболевания. Его можно и применяли перорально , внутриплеврально, внутривенно , внутрибрюшинно и через ингаляцию . [14] В нескольких исследованиях продолжается изучение применения ДНКазы в качестве лечения, а также способов мониторинга здоровья. Например, недавно ДНКазу, полученную из патогенных бактерий, стали использовать в качестве индикатора для мониторинга раневой инфекции. [15]
Муковисцидоз — это генетическое заболевание , которое влияет на выработку слизи, пота и пищеварительных жидкостей, в результате чего они становятся более вязкими, чем смазочными . Ферменты ДНКазы можно вдыхать с помощью небулайзера больным муковисцидозом . Ферменты ДНКазы помогают, потому что лейкоциты накапливаются в слизи и, когда они разрушаются, высвобождают ДНК, что увеличивает «липкость» слизи. Ферменты ДНКазы расщепляют ДНК, и слизь гораздо легче выводится из легких. В частности, ДНКаза I, также известная как одобренный FDA препарат Пульмозим (также известный как дорназа альфа), используется для лечения легочной функции.
Было обнаружено, что на другие респираторные заболевания, такие как астма , [16] эмпиема плевры , [12] и хроническая обструктивная болезнь легких, свойства ДНКаз положительно влияют.
Кроме того, недавние исследования показывают, что внутриплевральный тканевый активатор плазминогена (tPA), белок, который отвечает за разрушение тромбов, в сочетании с дезоксирибонуклеазой увеличивает плевральный дренаж, сокращает продолжительность пребывания в больнице и снижает необходимость хирургического вмешательства при парапневмонических выпотах и эмпиеме. .
Сепсис – это опасное для жизни воспалительное заболевание, вызванное резкой реакцией организма на инфекцию. Организм начинает атаковать сам себя, поскольку воспалительная реакция охватывает человеческое тело. В результате высокие уровни вкДНК были связаны с кровотоком, и поэтому исследователи рассматривали ДНКазу как подходящее лечение. Исследования показали, что ДНКаза успешно разрушает сети и снижает воспалительные реакции. Необходимы дополнительные исследования типа и времени введения, чтобы в дальнейшем утвердить ДНКазу в качестве официального лечения. [17] [18] [19]
Системная красная волчанка (СКВ) — аутоиммунное заболевание , которое приводит к образованию аутоантител, вызывающих воспаление, которое приводит к повреждению органов, суставов и почек. СКВ связана с низким уровнем ДНКазы I, посколькупри этом заболевании апоптотические клетки становятся аутоантигенами . ДНКаза I исследовалась как возможное средство для уменьшения количества апоптотического мусора в организме человека. Было высказано предположение, что их трудность может быть связана с неспособностью фермента разрушить клеточную мембрану хроматина . Исследования показали противоречивые результаты этого лечения, однако проводятся дальнейшие исследования для изучения терапевтических преимуществ ДНКазы I. [14] [18] [20]
Противоопухолевое лечение. Известно, что ДНКаза обладает противоопухолевым действием благодаря своей способности расщеплять ДНК. В крови больных раком обнаружен высокий уровень ДНК, что позволяет предположить, что ДНКаза I может быть возможным лечением. До сих пор отсутствует понимание того, почему существуют такие высокие уровни вкДНК и будет ли ДНКаза действовать как эффективное лечение. Несколько исследований на мышах показали положительные результаты в противоопухолевой прогрессии с использованием внутривенного введения ДНКазы I. Однако необходимо провести дополнительные исследования, прежде чем представить этот метод широкой публике. [21] [14]
ДНК поглощает ультрафиолетовый (УФ) свет с длиной волны максимального поглощения около 260 нм. Это поглощение происходит за счет пи -электронов ароматических оснований ДНК. В дцДНК или даже участках РНК , где возникает двухцепочечная структура, основания уложены параллельно друг другу, а перекрытие базовых молекулярных орбиталей приводит к уменьшению поглощения УФ-света. Это явление называется гипохромным эффектом . Когда ДНКаза высвобождает нуклеотиды из дцДНК, основания больше не укладываются друг в друга, как в дцДНК, поэтому перекрытие орбиталей сводится к минимуму и поглощение УФ-излучения увеличивается. Это увеличение поглощения лежит в основе Кунитцевой единицы ДНКазной активности. Одна единица Кунитца определяется как количество фермента, добавленного к 1 мг/мл ДНК спермы лосося, которое вызывает увеличение оптической плотности на 0,001 в минуту при длине волны 260 нм при воздействии на высокополимеризованную ДНК при 25 °C в 0,1 М NaOAc. (рН 5,0) буфер. Название устройства связано с русско-американским биохимиком Мозесом Куницем , который предложил стандартный тест в 1946 году. [22]
Стандартный препарат фермента следует проводить параллельно с неизвестным, поскольку стандартизация препаратов ДНК и степени их полимеризации в растворе невозможна.
Одиночная радиальная диффузия ферментов (SRED). Этот простой метод измерения активности ДНКазы I был предложен Nadano et al. и основан на расщеплении ДНК в агарозном геле ДНКазой, которая присутствует в пробах, вбитых в гель. [14] Активность ДНКазы представлена размером распределенной круглой лунки в слое агарозного геля, в котором равномерно распределена ДНК, окрашенная бромидом этидия . После инкубации образуется круглая темная зона, поскольку фермент диффундирует из лунки радиально в гель и расщепляет ДНК. SRED претерпел множество модификаций, которые привели к повышению чувствительности и безопасности, например, замена бромистого этидия на SYBR Green I или другие гелевые красители ДНК. [23]
Колориметрический анализ активности ДНКазы I
Кинетический колориметрический анализ активности ДНКазы I разработан для оценки стабильности рекомбинантной ДНКазы I человека (Пульмозим). Метод был скорректирован на основе колориметрического анализа активности ферментов по конечной точке, основанного на деградации комплекса ДНК/метиловый зеленый. [24]
{{cite book}}
: |work=
игнорируется ( помощь )