stringtranslate.com

Эндонуклеаза

В молекулярной биологии эндонуклеазы — это ферменты , которые расщепляют фосфодиэфирную связь в полинуклеотидной цепи (а именно ДНК или РНК ). Некоторые из них, такие как дезоксирибонуклеаза I , разрезают ДНК относительно неспецифично (в отношении последовательности), в то время как многие, обычно называемые эндонуклеазами рестрикции или ферментами рестрикции , расщепляют только очень специфические нуклеотидные последовательности. Эндонуклеазы отличаются от экзонуклеаз , которые расщепляют концы последовательностей распознавания вместо средней ( эндо ) части. Некоторые ферменты, известные как « экзо-эндонуклеазы », ​​однако, не ограничиваются ни одной из функций нуклеазы, демонстрируя качества, которые являются как эндо-, так и экзоподобными. [1] Данные свидетельствуют о том, что активность эндонуклеазы испытывает задержку по сравнению с активностью экзонуклеазы. [2]

Рестрикционные ферменты — это эндонуклеазы из эубактерий и архей , которые распознают определенную последовательность ДНК. [3] Нуклеотидная последовательность, распознаваемая для расщепления рестрикционным ферментом, называется сайтом рестрикции . Обычно сайт рестрикции будет палиндромной последовательностью длиной около четырех-шести нуклеотидов. Большинство рестрикционных эндонуклеаз расщепляют цепь ДНК неравномерно, оставляя комплементарные одноцепочечные концы. Эти концы могут повторно соединяться посредством гибридизации и называются «липкими концами». После спаривания фосфодиэфирные связи фрагментов могут быть соединены ДНК-лигазой . Известны сотни рестрикционных эндонуклеаз, каждая из которых атакует другой сайт рестрикции. Фрагменты ДНК, расщепленные одной и той же эндонуклеазой, могут быть соединены независимо от происхождения ДНК. Такая ДНК называется рекомбинантной ДНК ; ДНК, образованная путем объединения генов в новые комбинации. [4] Рестрикционные эндонуклеазы ( рестриктазы ) делятся на три категории: тип I, тип II и тип III, в соответствии с механизмом их действия. Эти ферменты часто используются в генной инженерии для создания рекомбинантной ДНК для введения в бактериальные, растительные или животные клетки, а также в синтетической биологии . [5] Одной из наиболее известных эндонуклеаз является Cas9 .

Категории

В конечном счете, существует три категории эндонуклеаз рестрикции , которые относительно способствуют расщеплению определенных последовательностей. Типы I и III представляют собой большие многосубъединичные комплексы, которые включают как эндонуклеазную , так и метилазную активность. Тип I может расщеплять в случайных местах около 1000 пар оснований или более из последовательности распознавания, и ему требуется АТФ в качестве источника энергии. Тип II ведет себя немного иначе и был впервые выделен Гамильтоном Смитом в 1970 году. Они являются более простыми версиями эндонуклеаз и не требуют АТФ в своих процессах деградации. Некоторые примеры эндонуклеаз рестрикции типа II включают Bam HI, Eco RI, Eco RV, HindIII и Hae III. Тип III, однако, расщепляет ДНК примерно в 25 парах оснований из последовательности распознавания и также требует АТФ в этом процессе. [4]

Обозначения

Обычно используемое обозначение для эндонуклеаз рестрикции [6] имеет вид " Vwx yZ", где " Vwx " - это, курсивом, первая буква рода и первые две буквы вида, где может быть обнаружена эта эндонуклеаза рестрикции, например, Escherichia coli , Eco , и Haemophilus influenzae , Hin . Затем следует необязательный, некурсивный символ "y", который указывает на тип или штамм, например, Eco R для штаммов E. coli, несущих фактор передачи лекарственной устойчивости RTF-1, [6] Eco B для штамма E. coli B, [7] и Hin d для штамма H. influenzae d . [6] Наконец, когда определенный тип или штамм имеет несколько различных эндонуклеаз рестрикции, они идентифицируются римскими цифрами, таким образом, эндонуклеазы рестрикции из штамма H. influenzae d называются Hin dI, Hin dII, Hin dIII и т. д. Другой пример: « Hae II» и « Hae III» относятся к бактерии Haemophilus aegyptius (штамм не указан), эндонуклеазы рестрикции номер II и номер III соответственно. [4] : 64–64  Ферменты рестрикции, используемые в молекулярной биологии, обычно распознают короткие целевые последовательности длиной около 4–8 пар оснований. Например, фермент Eco RI распознает и расщепляет последовательность 5' – GAATTC – 3'. [8]

Фермент рестрикции Eco RI

Рестрикционные эндонуклеазы бывают нескольких типов. Рестрикционная эндонуклеаза обычно требует сайт распознавания и шаблон расщепления (обычно нуклеотидных оснований: A, C, G, T). Если сайт распознавания находится вне области шаблона расщепления, то рестрикционная эндонуклеаза относится к типу I. Если последовательность распознавания перекрывается с последовательностью расщепления, то рестрикционная эндонуклеаза относится к типу II. [ необходима цитата ]

Процессы, связанные с эндонуклеазами

Эндонуклеазы играют роль во многих аспектах биологической жизни. Ниже приведены несколько примеров процессов, в которых эндонуклеазы играют решающую роль.

восстановление ДНК

Эндонуклеазы играют роль в репарации ДНК. Эндонуклеаза AP , в частности, катализирует разрез ДНК исключительно в сайтах AP и, следовательно, подготавливает ДНК к последующему вырезанию, репарационному синтезу и лигированию ДНК. Например, когда происходит депуринизация, это повреждение оставляет сахар дезоксирибозу с отсутствующим основанием. [9] Эндонуклеаза AP распознает этот сахар и по существу разрезает ДНК в этом сайте, а затем позволяет продолжить репарацию ДНК. [10] Клетки E. coli содержат две эндонуклеазы AP: эндонуклеазу IV (endoIV) и экзонуклеазу III (exoIII), тогда как у эукариот есть только одна эндонуклеаза AP. [11]

Ремонт ДНК , в которой две комплементарные нити соединены межцепочечной ковалентной сшивкой, требует множественных надрезов для того, чтобы расцепить нити и удалить повреждение. Надрезы требуются с обеих сторон сшивки и на обеих нитях дуплексной ДНК. В эмбриональных стволовых клетках мыши промежуточная стадия ремонта сшивки включает производство двухцепочечных разрывов. [12] MUS81 / EME1 является структурно-специфической эндонуклеазой, участвующей в преобразовании межцепочечных сшивок в двухцепочечные разрывы зависимым от репликации ДНК образом. [12] После введения двухцепочечного разрыва требуются дальнейшие шаги для завершения процесса ремонта. Если сшивка не восстановлена ​​должным образом, она может блокировать репликацию ДНК . [ требуется цитата ]

Ремонт тиминового димера

Воздействие ультрафиолетового излучения на бактериофаг (фаг) T4 индуцирует димеры тимина в ДНК фага. Ген denV фага T4 кодирует эндонуклеазу V , которая катализирует начальные этапы восстановления этих димеров тимина, вызванных УФ-излучением. [13] Эндонуклеаза V сначала расщепляет гликозильную связь на 5'-стороне пиримидинового димера, а затем катализирует расщепление фосфодиэфирной связи ДНК, которая изначально связывала два нуклеотида димера. Последующие этапы процесса восстановления включают удаление остатков димера и синтез восстановления для заполнения образовавшегося одноцепочечного разрыва с использованием неповрежденной цепи в качестве шаблона. [ необходима цитата ]

Апоптоз

Во время апоптоза активируется апоптотическая эндонуклеаза DFF40 , чтобы инициировать контролируемую клеточную разборку. Эта дезинтеграция характеризуется расщеплением геномной ДНК на определенные фрагменты. Точная роль эндонуклеаз в этом контексте заключается в расщеплении ДНК в определенных местах, создавая фрагменты определенной длины. Затем эти фрагменты упаковываются в апоптотические тельца, обеспечивая аккуратное и эффективное удаление умирающей клетки, не вызывая воспаления или повреждения соседних клеток. [14]

Репликация ДНК

Эндонуклеаза лоскута 1 (FEN1) и эндонуклеаза Dna2 являются неотъемлемой частью репликации ДНК на отстающей нити, участвуя в таких важных процессах, как удаление праймера и обработка фрагмента Оказаки . Эндонуклеазы активно участвуют в обработке этих фрагментов, разрывая фосфодиэфирные связи между ними. Этот процесс является неотъемлемой частью бесшовного синтеза и соединения фрагментов Оказаки, способствуя общей непрерывности вновь реплицированной нити ДНК. [15] [16]

Обработка РНК

Эндонуклеазы, а точнее эндорибонуклеазы , играют решающую роль в процессинге РНК, фундаментальном этапе экспрессии генов. Этот процесс включает в себя точное расщепление молекул предшественников РНК, направляемое эндонуклеазами, для создания функциональных РНК, необходимых для различных клеточных функций. Эндонуклеазы селективно расщепляют молекулы предшественников РНК в определенных местах, определяя границы функциональных сегментов РНК во время процессинга РНК. Результатом процессинга РНК является производство функциональных молекул РНК, таких как транспортные РНК (тРНК) и рибосомальные РНК (рРНК) . Эндонуклеазы способствуют точности этого процесса, обеспечивая образование зрелых и функциональных видов РНК.

Эндонуклеазы, такие как РНКаза P и тРНКаза Z (ELAC2), формируют предшественников тРНК в зрелые, функциональные тРНК, что имеет решающее значение для точной трансляции во время синтеза белка. [17] В биогенезе рибосом эндонуклеазы из семейства РНКазы III , такие как DROSHA , играют роль в обработке предшественников рРНК, способствуя сборке функциональных рибосом. [18]

DICER и DROSHA, также из семейства РНКазы III, играют роль в переработке пре-микроРНК в функциональную микроРНК. [19]

Созревание ногтей и волос

Эндонуклеаза DNase1L2 также вносит значительный вклад в удаление ДНК во время формирования волос и ногтей. Этот процесс необходим для созревания структур волос и ногтей и имеет решающее значение для превращения клеток в прочные и кератинизированные структуры, обеспечивая прочность и целостность волос и ногтей. [20]

Дальнейшее обсуждение

Могут быть обнаружены эндонуклеазы рестрикции, которые расщепляют стандартную dsDNA (двуцепочечную ДНК), или ssDNA (одноцепочечную ДНК), или даже РНК. [ необходима цитата ] Это обсуждение ограничено dsDNA; однако обсуждение может быть расширено до следующего:

  1. Холлидей перекрестки
  2. Трехцепочечная ДНК , четырехцепочечная ДНК ( G-квадруплекс )
  3. Двухцепочечные гибриды ДНК и РНК (одна цепь – ДНК, другая цепь – РНК) [4] : 72–73 
  4. Синтетическая или искусственная ДНК (например, содержащая основания, отличные от A, C, G, T, см. работу Эрика Т. Кула ). Исследования с синтетическими кодонами , см. исследование С. Беннера, и увеличение набора аминокислот в полипептидах, тем самым увеличивая протеом или протеомику , см. исследование П. Шульца. [4] : ​​глава 3 

Кроме того, в настоящее время ведутся исследования по созданию синтетических или искусственных рестрикционных эндонуклеаз, особенно с участками распознавания, уникальными в пределах генома. [ необходима цитата ]

Рестрикционные эндонуклеазы или рестриктазы обычно расщепляют двумя способами: тупыми или липкими концами. Пример рестрикционной эндонуклеазы типа I. [4] : 64 

Кроме того, существуют неспецифические ДНК/РНК эндонуклеазы , такие как те, что обнаружены в Serratia marcescens , которые действуют на двуцепочечную ДНК, одноцепочечную ДНК и РНК. [ необходима цитата ]

Общие эндонуклеазы

Ниже приведены таблицы распространенных прокариотических и эукариотических эндонуклеаз. [21]

Мутации

Пигментная ксеродерма — редкое аутосомно-рецессивное заболевание, вызванное дефектной эндонуклеазой, специфичной для УФ-излучения. Пациенты с мутациями не способны восстанавливать повреждения ДНК, вызванные солнечным светом. [26]

Серповидноклеточная анемия — это заболевание, вызванное точечной мутацией. Последовательность, измененная мутацией, устраняет сайт распознавания для эндонуклеазы рестрикции MstII, которая распознает последовательность нуклеотидов. [27]

Мутации эндонуклеазы сплайсинга тРНК вызывают гипоплазию моста мозжечка. Гипоплазии моста мозжечка (PCH) представляют собой группу нейродегенеративных аутосомно-рецессивных заболеваний, которые вызываются мутациями в трех из четырех различных субъединиц комплекса эндонуклеазы сплайсинга тРНК. [28]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ "Свойства экзонуклеаз и эндонуклеаз". New England BioLabs . 2017. Получено 21 мая 2017 г.
  2. ^ Slor, Hanoch (14 апреля 1975 г.). «Дифференциация между экзонуклеазами и эндонуклеазами, а также между гаплотомическими и диплотомическими эндонуклеазами с использованием в качестве субстрата лунок пластиковых углублений, покрытых 3-h-ДНК». Nucleic Acids Research . 2 (6): 897–903. doi :10.1093/nar/2.6.897. PMC 343476. PMID  167356 . 
  3. ^ Стивен Т. Килпатрик; Джоселин Э. Кребс; Левин, Бенджамин; Голдштейн, Эллиотт (2011). Гены Левина X. Бостон: Джонс и Бартлетт. ISBN 978-0-7637-6632-0.
  4. ^ abcdef Cox M, Nelson DR, Lehninger AL (2005). Принципы биохимии Ленингера . Сан-Франциско: WH Freeman. С. 952. ISBN 978-0-7167-4339-2.
  5. ^ Саймон М. (2010). Эмерджентные вычисления: подчеркивание биоинформатики . Нью-Йорк: Springer. С. 437. ISBN 978-1441919632.
  6. ^ abc Smith, HO; Nathans, D (15 декабря 1973 г.). «Предлагаемая номенклатура систем модификации и рестрикции бактериальных хозяев и их ферментов». Журнал молекулярной биологии . 81 (3): 419–23. doi :10.1016/0022-2836(73)90152-6. PMID  4588280.
  7. ^ Рубин, РА; Модрич, П (25 октября 1977 г.). «EcoRI метилаза». Журнал биологической химии . 252 (20): 7265–72. doi : 10.1016/S0021-9258(19)66964-4 . PMID  332688.
  8. ^ Losick R, Watson JD, Baker TA, Bell S, Gann S, Levine MW (2008). Молекулярная биология гена . Сан-Франциско: Pearson/Benjamin Cummings. ISBN 978-0-8053-9592-1.
  9. ^ Элленбергер Т., Фридберг Э.К., Уокер Г.С., Вольфрам С., Вуд Р.Дж., Шульц Р. (2006). Репарация ДНК и мутагенез . Вашингтон, округ Колумбия: ASM Press. ISBN 978-1-55581-319-2.
  10. ^ Альбертс Б. (2002). Молекулярная биология клетки . Нью-Йорк: Garland Science. ISBN 978-0-8153-3218-3.
  11. ^ Нишино Т, Морикава К (декабрь 2002 г.). «Структура и функция нуклеаз в репарации ДНК: форма, захват и лезвие ножниц ДНК». Онкоген . 21 (58): 9022–32. doi : 10.1038/sj.onc.1206135 . PMID  12483517.
  12. ^ Аб Ханада, К.; Будзовска, М.; Модести, М.; Маас, А.; Вайман, К.; Эссерс, Дж.; Канаар, Р. (2006). «Структурно-специфическая эндонуклеаза Mus81-Eme1 способствует превращению межцепочечных связей ДНК в двухцепочечные разрывы». Журнал ЭМБО . 25 (20): 4921–4932. дои : 10.1038/sj.emboj.7601344. ПМК 1618088 . ПМИД  17036055. 
  13. ^ Бернстайн, К. (1981). «Репарация дезоксирибонуклеиновой кислоты в бактериофаге». Microbiological Reviews . 45 (1): 72–98. doi :10.1128/mr.45.1.72-98.1981. PMC 281499 . PMID  6261109. 
  14. ^ Йошида, Акира; Помье, Ив; Уэда, Таканори (2006-02-01). «Активация эндонуклеазы и фрагментация хромосомной ДНК во время апоптоза в клетках лейкемии». Международный журнал гематологии . 84 (1): 31–37. doi :10.1007/BF03342699. ISSN  1865-3774. PMID  16867899. S2CID  25475000.
  15. ^ Jin, Yong Hwan; Obert, Robyn; Burgers, Peter MJ; Kunkel, Thomas A.; Resnick, Michael A.; Gordenin, Dmitry A. (2001-04-24). «3′→5′ экзонуклеаза ДНК-полимеразы δ может заменить 5′ лоскутную эндонуклеазу Rad27/Fen1 при обработке фрагментов Оказаки и предотвращении нестабильности генома». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 98 (9): 5122–5127. doi : 10.1073/pnas.091095198 . ISSN  0027-8424. PMC 33174. PMID  11309502 . 
  16. ^ Лю, Юань; Као, Хуэй-И; Бамбара, Роберт А. (июнь 2004 г.). «Флапная эндонуклеаза 1: центральный компонент метаболизма ДНК». Annual Review of Biochemistry . 73 (1): 589–615. doi :10.1146/annurev.biochem.73.012803.092453. ISSN  0066-4154. PMID  15189154.
  17. ^ Хартманн, Роланд К.; Гёссрингер, Маркус; Шпет, Беттина; Фишер, Сьюзан; Марчфельдер, Анита (2009). «Создание тРНК и многое другое — РНКаза P и тРНКаза Z». Progress in Molecular Biology and Translational Science . 85 : 319–368. doi :10.1016/S0079-6603(08)00808-8. ISSN  1877-1173. PMID  19215776.
  18. ^ Лехарс, Максенс; Кобаяши, Асаки; Хайнсдорф, Элиан (декабрь 2021 г. ) . «РНКаза III, биогенез рибосомы и не только». Микроорганизмы . 9 (12): 2608. doi : 10.3390/microorganisms9122608 . PMC 8708148. PMID  34946208. 
  19. ^ Кюбахер, Ангелика; Урбих, Кармен; Цайхер, Андреас М.; Диммелер, Стефани (2007-07-06). «Роль Dicer и Drosha в экспрессии эндотелиальной микроРНК и ангиогенезе». Circulation Research . 101 (1): 59–68. doi :10.1161/CIRCRESAHA.107.153916. ISSN  0009-7330. PMID  17540974.
  20. ^ Фишер, Хайнц; Сабо, Сандра; Шерц, Дженнифер; Джагер, Карин; Росситер, Хайдемари; Бухбергер, Мария; Ганнадан, Мину; Герман, Марсела; Тойссль, Ганс-Кристиан; Тобин, Десмонд Дж.; Вагнер, Эрвин Ф.; Чахлер, Эрвин; Экхарт, Леопольд (июнь 2011 г.). «Основная роль кератиноцитарной эндонуклеазы DNase1L2 в удалении ядерной ДНК из волос и ногтей». Журнал исследовательской дерматологии . 131 (6): 1208–1215. дои : 10.1038/jid.2011.13. ISSN  0022-202X. ПМЦ 3185332 . PMID  21307874. 
  21. ^ Таня А. Бейкер; Корнберг, Артур (2005). Репликация ДНК . Университетская наука. ISBN 978-1-891389-44-3.
  22. ^ Wei, CF; Alianell, GA; Bencen, GH; Gray HB, Jr (25 ноября 1983 г.). «Выделение и сравнение двух молекулярных видов нуклеазы BAL 31 из Alteromonas espejiana с различными кинетическими свойствами». Журнал биологической химии . 258 (22): 13506–12. doi : 10.1016/S0021-9258(17)43942-1 . PMID  6643438.
  23. ^ Линн, С.; Леман, ИР (10 июня 1966 г.). «Эндонуклеаза из митохондрий Neurospora crassa». Журнал биологической химии . 241 (11): 2694–9. doi : 10.1016/S0021-9258(18)96595-6 . PMID  4287861.
  24. ^ Холломан, В. К.; Холлидей, Р. (10 декабря 1973 г.). «Исследования нуклеазы из Ustilago maydis. I. Очистка, свойства и роль в рекомбинации фермента». Журнал биологической химии . 248 (23): 8107–13. doi : 10.1016/S0021-9258(19)43199-2 . PMID  4201782.
  25. ^ Gottlieb, J; Muzyczka, N (5 июля 1990 г.). «Очистка и характеристика эндонуклеазы R HeLa. G-специфическая эндонуклеаза млекопитающих». Журнал биологической химии . 265 (19): 10836–41. doi : 10.1016/S0021-9258(19)38522-9 . PMID  2358441.
  26. ^ Медицинская биохимия вкратце . Нью-Йорк: Wiley. 2012. ISBN 978-0-470-65451-4.
  27. ^ Ferrier DR, Champe PC, Harvey RP (2008). Биохимия . Филадельфия: Wolters Kluwer/Lippincott Williams & Wilkins. ISBN 978-0-7817-6960-0.
  28. ^ Бадде Б.С., Намавар Ю., Барт П.Г., Poll-The BT, Нюрнберг Г., Беккер С., ван Рейссен Ф., Ветерман М.А., Флюитер К., те Бик Э.Т., Ароника Э., ван дер Кнаап М.С., Хёне В., Толиат М.Р., Кроу Ю.Дж., Стейнлинг М., Войт Т., Руленсо Ф., Брюссель В., Брокманн К., Киллерман М., Больтшаузер Е., Хаммерсен Г., Виллемсен М., Базель-Ванагайте Л., Крегелох-Манн И., де Врис Л.С., Штриха Л., Мунтони Ф., Ферри CD, Баттини Р., Хеннекам Р.К., Грилло Э., Бимер Ф.А., Стойтс Л.М., Воллник Б., Нюрнберг П., Баас Ф (сентябрь 2008 г.). «мутации эндонуклеазы сплайсинга тРНК вызывают гипоплазию мостомозжечка». Nat. Genet. 40 (9): 1113–8. doi :10.1038/ng.204. PMID  18711368. S2CID  205345070.