ДНК-дезоксиинозингликозилаза ( EC 3.2.2.15, ДНК(гипоксантин)гликогидролаза , гликозилаза дезоксирибонуклеиновой кислоты , гипоксантин-ДНК-гликозилаза ) — фермент с систематическим названием ДНК-дезоксиинозиндезоксирибогидролаза . [1] Этот фермент участвует в восстановлении повреждений ДНК и воздействует на основания гипоксантина.
ДНК постоянно подвергается химическим реакциям в своей клеточной среде, что приводит к нежелательным структурным изменениям и ставит под угрозу целостность генетической информации. Обычные изменения оснований включают окисление, алкилирование или дезаминирование оснований. Наблюдаемое дезаминирование в основаниях ДНК — это цитозин в урацил, гуанин в ксантин и оксанин или аденин в гипоксантин. Эти одноосновные легионы удаляются посредством пути репарации эксцизионных оснований (BER), механизма, инициируемого ДНК-гликозилазой для удаления несовпадающего или мутировавшего основания. [2] [3]
ДНК-гликозилазы распространены повсеместно, их можно наблюдать у видов всех царств жизни, включая археи, эубактерии, эукариоты и крупные ДНК-вирусы. Их можно далее подразделить на четыре конкретные категории: урацил-ДНК-гликозилазы (UDG), гликозилазы спираль-шпилька-спираль (HhH), 3-метилпурин-гликозилазы (MPG) и гликозилазы, подобные эндонуклеазе VIII (NEIL). [4] Однако активность ДНК-дезоксиинозингликозилазы, удаление основания гипоксантина, наблюдается в суперсемействе урацил-ДНК-гликозилаз . [5] [6] В настоящее время в суперсемействе ДНК-урацил-гликозилаз выделяют 6 семейств, каждое из которых классифицируется на основе гомологии последовательностей, а также биохимического и структурного сходства. [7] Активность урацила и гипоксантина является особенностью, которая свойственна только семействам UDG, а именно ферментам семейства 3 SMUG1-подобных ферментов и совсем недавно идентифицированным ферментам семейства 6, которые проявляют только активность гипоксантина. [6]
Повреждение ДНК вызывается экологическими и эндогенными агентами, которые могут создавать высокомутагенные повреждения или нарушать стабильность генома. Чтобы сохранить информацию о геномной последовательности, клетки должны противодействовать повреждению ДНК одним из пяти основных путей: репарация эксцизии оснований (BER), репарация эксцизии нуклеотидов (NER), репарация несоответствий (MMR), гомологичная рекомбинация (HR) и негомологичное соединение концов (NHEJ). [9]
В то время как гипоксантин, или инозин, присоединенный к рибозе, является естественным основанием в человеческой тРНК или в спаренных основаниях, он ошибочно включается в ДНК либо через дезаминирование пары оснований аденина, либо как инозинтрифосфат (ИТФ), образующийся через дезаминирование АТФ. [5] Мутированное основание удаляется через путь репарации эксцизионной репарации основания, двухэтапный механизм, осуществляемый гликозилазой и AP-эндонуклеазой. ДНК-дезоксиинозингликозилаза инициирует процесс посредством гидролитического расщепления основания гипоксантина, высвобождая свободный гипоксантин и создавая абазический или AP- сайт . AP-эндонуклеаза следует за активностью гликозилазы, распознавая этот AP-сайт и надрезая фосфодиэфирный остов в указанном месте. ДНК-полимераза и ДНК-лигаза затем завершают процесс, включив правильную пару оснований и закрывая надрез. [2]
Суперсемейство UDG обычно содержит четырехцепочечный β-слой, окруженный α-спиралями, и подвергается тому же или похожему механизму для создания абазических участков. Общий каталитический механизм включает активацию уходящей группы, стабилизацию иона оксокарбения и позиционирование молекулы воды. [10] Структурные исследования человеческой урацил-ДНК-гликозилазы (PDB 4KSN) предполагают механизм переворота основания, для которого требуется несколько ключевых остатков. L272 позволяет ферменту встраиваться в большую бороздку ДНК, что позволяет урацилу взаимодействовать с урацил-связывающим карманом, который в этой модели включает His 268, Gin 144, Phe 158, Asn 145, Asn 204 и Tyr 147. Когда урацил находится в связывающем кармане, он выворачивается из стопки оснований ДНК и оказывается вблизи молекулы воды, активированной остатком D145. Водородная связь между водой и аспартатом подготавливает молекулу воды к нуклеофильной атаке N-гликозидной связи, расщепляя основание и оставляя после себя AP-сайт. [11]
Недавние исследования кристаллической структуры и филогенетические исследования ДНК-гликозилазы, подобной SMUG1 семейства 3 из Pedobacter heparinus (PDB 5H0K), выявили как гипоксантин/ксантиновую, так и урациловую активность и были отнесены в новое подсемейство, семейство 6. [12] В то время как исследования кристаллов выявляют складки, которые имеют сходство с ферментами SMUG1, phe SMUG2 UDG демонстрирует явные различия в локальной структуре на основе сравнения трех мотивов во всех семействах UDG, которые участвуют в распознавании и катализе. Анализ мотива 1 выявляет последовательность GINPG, похожую на UDG семейства 2. Остаток N63 высококонсервативен и также появляется в семействах 2 и 3, предположительно, являясь ключевым для позиционирования молекулы воды. S124 является первым остатком в мотиве 3 phe SMUG2, но обычно является аспарагином в других семействах UDG. Любопытно, что мутация, в которой серин заменяется аспарагином, показывает повышенную каталитическую активность, а также расширяет активность, включая одноцепочечную ДНК, содержащую урацил, и пары оснований G/T. Это говорит о том, что S124 может играть ключевую роль в повышении специфичности субстрата. Мотив 2 начинается с высококонсервативного H205, который способствует активности UDG, образуя водородные связи на коротких расстояниях с O2 урацила. Хотя мутация этого остатка имеет решающее значение для активности UDG, включающей распознавание A/U или G/U, она не влияет на активность гипоксантиновой и ксантиновой ДНК-гликозилазы. [6]
