stringtranslate.com

Эндонуклеаза

В молекулярной биологии эндонуклеазы — это ферменты , расщепляющие фосфодиэфирную связь внутри полинуклеотидной цепи (а именно ДНК или РНК ). Некоторые из них, такие как дезоксирибонуклеаза I , разрезают ДНК относительно неспецифично (независимо от 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. Однако некоторые ферменты, известные как « экзоэндонуклеазы », ​​не ограничиваются ни одной из нуклеазных функций, проявляя как эндо-, так и экзо-подобные качества. [1] Данные свидетельствуют о том, что активность эндонуклеазы отстает от активности экзонуклеазы. [2]

Ферменты рестрикции — это эндонуклеазы эубактерий и архей , которые распознают специфическую последовательность ДНК. [3] Нуклеотидная последовательность, распознаваемая для расщепления ферментом рестрикции, называется сайтом рестрикции . Обычно сайт рестрикции представляет собой палиндромную последовательность длиной около четырех-шести нуклеотидов. Большинство эндонуклеаз рестрикции 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 эндонуклеаз рестрикции, каждая из которых атакует отдельный сайт рестрикции. Фрагменты ДНК, расщепленные одной и той же эндонуклеазой, могут соединяться независимо от происхождения ДНК. Такая ДНК называется рекомбинантной ДНК ; ДНК образуется в результате объединения генов в новые комбинации. [4] Эндонуклеазы рестрикции ( ферменты рестрикции ) делятся на три категории: тип I, тип II и тип III, в зависимости от механизма действия. Эти ферменты часто используются в генной инженерии для создания рекомбинантной ДНК для введения в клетки бактерий, растений или животных, а также в синтетической биологии . [5] Одной из наиболее известных эндонуклеаз является Cas9 .

Категории

В конечном счете, существует три категории эндонуклеаз рестрикции , которые вносят относительный вклад в расщепление специфических последовательностей. Типы I и III представляют собой большие мультисубъединичные комплексы, которые включают в себя как эндонуклеазную , так и метилазную активности. Тип I может расщеплять случайные сайты длиной около 1000 пар оснований или более из последовательности распознавания и требует АТФ в качестве источника энергии. Тип II ведет себя несколько иначе и был впервые выделен Гамильтоном Смитом в 1970 году. Они представляют собой более простые версии эндонуклеаз и не требуют АТФ в 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 по 25 парам оснований от последовательности узнавания, а также требует в этом процессе АТФ. [4]

Обозначения

Обычно используемые обозначения эндонуклеаз рестрикции [6] имеют форму « Vwx yZ», где « Vwx » — курсивом первая буква рода и первые две буквы вида, в котором эта эндонуклеаза рестрикции может быть обнаружена. например, Escherichia coli , Eco и Haemophilus influenzae , Hin . За ним следует необязательный символ «y», не выделенный курсивом, который указывает тип или идентификацию штамма, например, Eco R для штаммов E. coli , несущих фактор передачи лекарственной устойчивости RTF-1, [6] Eco B для E. coli. coli штамм B, [7] и Hind для штамма H. influenzae d . [6] Наконец, когда определенный тип или штамм имеет несколько различных эндонуклеаз рестрикции, они обозначаются римскими цифрами, таким образом, эндонуклеазы рестрикции из штамма d H. influenzae называются Hin dI, Hin dII, Hind III и т. д. Еще один 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 EcoRI распознает и расщепляет последовательность 5' – GAATTC – 3'. [8]

Фермент рестрикции Эко РИ

Эндонуклеазы рестрикции бывают нескольких типов. Эндонуклеаза рестрикции обычно требует сайта узнавания и схемы расщепления (обычно нуклеотидных оснований: A, C, G, T). Если сайт узнавания находится за пределами области рисунка расщепления, то эндонуклеаза рестрикции относится к типу I. Если последовательность узнавания перекрывается с последовательностью расщепления, то эндонуклеаза рестрикции относится к типу II. [ нужна 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. AP-эндонуклеаза , в частности, катализирует разрез ДНК исключительно в AP-сайтах и, следовательно, подготавливает ДНК к последующему вырезанию, репарационному синтезу и лигированию ДНК. Например, когда происходит депуринация, в результате этого поражения остается сахар дезоксирибоза с отсутствующим основанием. [9] Эндонуклеаза AP распознает этот сахар и по существу разрезает ДНК в этом сайте, а затем позволяет продолжить восстановление ДНК. [10] Клетки E. coli содержат две AP-эндонуклеазы: эндонуклеазу IV (endoIV) и экзонуклеазу III (exoIII), тогда как у эукариот имеется только одна AP-эндонуклеаза. [11]

восстановление перекрестных связей ДНК

Восстановление ДНК , в котором две комплементарные цепи соединены межцепочечной ковалентной сшивкой, требует множественных разрезов, чтобы разъединить цепи и устранить повреждение. Надрезы необходимы с обеих сторон сшивки и на обеих цепях дуплексной ДНК. В эмбриональных стволовых клетках мыши промежуточная стадия репарации поперечных связей включает образование двухцепочечных разрывов. [12] MUS81 / EME1 представляет собой структурно-специфическую эндонуклеазу, участвующую в преобразовании межцепочечных поперечных связей в двухцепочечные разрывы зависимым от репликации образом. [12] После введения двухцепочечного разрыва необходимы дальнейшие шаги для завершения процесса восстановления. Если сшивка не восстановлена ​​должным образом, она может заблокировать репликацию ДНК . [ нужна цитата ]

Восстановление димера тимина

Воздействие бактериофага (фага) Т4 ультрафиолетовым облучением индуцирует появление димеров тимина в ДНК фага. Ген denV фага Т4 кодирует эндонуклеазу V , которая катализирует начальные этапы восстановления этих димеров тимина, индуцированных УФ-излучением. [13] Эндонуклеаза V сначала расщепляет гликозиловую связь на 5'-стороне пиримидинового димера, а затем катализирует расщепление фосподиэфирной связи ДНК, которая первоначально связывала два нуклеотида димера. Последующие этапы процесса репарации включают удаление остатков димера и синтез репарации для заполнения образовавшегося одноцепочечного разрыва с использованием неповрежденной цепи в качестве матрицы. [ нужна цитата ]

Апоптоз

Во время апоптоза апоптотическая эндонуклеаза DFF40 активируется, чтобы инициировать контролируемую клеточную разборку. Этот распад характеризуется расщеплением геномной ДНК на специфические фрагменты. Точная роль эндонуклеаз в этом контексте заключается в расщеплении ДНК в определенных сайтах, генерируя фрагменты определенной длины. Эти фрагменты затем 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 цепи, участвуя в таких важных процессах, как удаление праймера и обработка фрагмента Оказаки . Эндонуклеазы активно участвуют в процессинге этих фрагментов, расщепляя фосфодиэфирные связи между ними. Этот процесс является неотъемлемой частью плавного синтеза и соединения фрагментов Окадзаки, способствуя общей непрерывности вновь реплицированной цепи ДНК. [15] [16]

Процессинг РНК

Эндонуклеазы, точнее эндорибонуклеаза , играют решающую роль в процессинге РНК, фундаментальном этапе экспрессии генов. Этот процесс включает в себя точное расщепление молекул РНК-предшественников под руководством эндонуклеаз с образованием функциональных РНК, необходимых для различных клеточных функций. Эндонуклеазы избирательно расщепляют РНК-предшественники в определенных сайтах, определяя границы функциональных сегментов РНК во время процессинга РНК. Результатом процессинга РНК является образование 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), превращают тРНК-предшественники в зрелые функциональные тРНК, что имеет решающее значение для точной трансляции во время синтеза белка. [17] В биогенезе рибосом эндонуклеазы из семейства РНКаз III , такие как DROSHA , играют роль в процессинге рРНК-предшественников, способствуя сборке функциональных рибосом. [18]

DICER и DROSHA также из семейства РНКаз III играют роль в процессинге пре-миРНК 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 важен для созревания структур волос и ногтей и имеет решающее значение для превращения клеток в прочные и ороговевшие структуры, обеспечивающие прочность и целостность волос и ногтей. [20]

Дальнейшее обсуждение

Могут быть обнаружены эндонуклеазы рестрикции, которые расщепляют стандартную дцДНК (двухцепочечную ДНК), или оцДНК (одноцепочечную ДНК), или даже РНК. [ нужна цитация ] Это обсуждение ограничивается дцДНК; однако обсуждение можно распространить на следующее:

  1. Праздничные перекрестки
  2. Трехцепочечная ДНК , четырехцепочечная ДНК ( G-квадруплекс )
  3. Двухцепочечные гибриды ДНК и РНК (одна цепь — ДНК, другая — 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. исследования С. Беннера, а увеличение набора аминокислот в полипептидах, тем самым увеличивая протеом или протеомику , см. исследования П. Шульца. [4] : глава 3 

Кроме того, сейчас ведутся исследования по созданию синтетических или искусственных эндонуклеаз рестрикции, особенно с сайтами узнавания, уникальными в пределах генома. [ нужна цитата ]

Эндонуклеазы рестрикции или ферменты рестрикции обычно расщепляют двумя способами: с тупыми концами или с липкими концами. Пример эндонуклеазы рестрикции типа I. [4] : 64 

Кроме того, существуют неспецифические ДНК/РНК эндонуклеазы , такие как те, которые обнаружены у Serratia marcescens , которые действуют на дцДНК, оцДНК и РНК. [ нужна цитата ]

Общие эндонуклеазы

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

Мутации

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

Серповидноклеточная анемия – заболевание, вызванное точечной мутацией. Последовательность, измененная мутацией, устраняет сайт узнавания эндонуклеазы рестрикции MstII, которая распознает нуклеотидную последовательность. [27]

Мутации эндонуклеазы сплайсинга тРНК вызывают понтоцеребеллярную гипоплазию. Понтоцеребеллярные гипоплазии (ПГК) представляют собой группу нейродегенеративных аутосомно-рецессивных заболеваний, вызванных мутациями в трех из четырех различных субъединиц эндонуклеазного комплекса сплайсинга тРНК. [28]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ «Свойства экзонуклеаз и эндонуклеаз». Биолаборатории Новой Англии . 2017 . Проверено 21 мая 2017 г.
  2. ↑ Слор, Ханох (14 апреля 1975 г.). «Дифференциация между экзонуклеазами и эндонуклеазами, а также между гаплотомными и диплотомными эндонуклеазами с использованием в качестве субстрата лунок пластиковых депрессивных пластин, покрытых 3-h-ДНК». Исследования нуклеиновых кислот . 2 (6): 897–903. дои : 10.1093/нар/2.6.897. ПМЦ 343476 . ПМИД  167356. 
  3. ^ Стивен Т. Килпатрик; Джоселин Э. Кребс; Левин, Бенджамин; Гольдштейн, Эллиотт (2011). Гены Левина X. Бостон: Джонс и Бартлетт. ISBN 978-0-7637-6632-0.
  4. ^ abcdef Кокс М., Нельсон Д.Р., Ленинджер А.Л. (2005). Ленингерские принципы биохимии . Сан-Франциско: WH Freeman. стр. 952. ISBN. 978-0-7167-4339-2.
  5. ^ Саймон М (2010). Новые вычисления: акцент на биоинформатике . Нью-Йорк: Спрингер. п. 437. ИСБН 978-1441919632.
  6. ^ abc Смит, ХО; Натанс, Д. (15 декабря 1973 г.). «Предлагаемая номенклатура бактериальных систем модификации и рестрикции-хозяина и их ферментов». Журнал молекулярной биологии . 81 (3): 419–23. дои : 10.1016/0022-2836(73)90152-6. ПМИД  4588280.
  7. ^ Рубин, РА; Модрич, П. (25 октября 1977 г.). «ЭкоРИ-метилаза». Журнал биологической химии . 252 (20): 7265–72. дои : 10.1016/S0021-9258(19)66964-4 . ПМИД  332688.
  8. ^ Лосик Р., Уотсон Дж.Д., Бейкер Т.А., Белл С., Ганн С., Левин М.В. (2008). Молекулярная биология гена . Сан-Франциско: Пирсон/Бенджамин Каммингс. ISBN 978-0-8053-9592-1.
  9. ^ Элленбергер Т., Фридберг ЕС, 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. дои : 10.1038/sj.onc.1206135 . ПМИД  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. ^ Бернштейн, К. (1981). «Репарация дезоксирибонуклеиновой кислоты в бактериофаге». Микробиологические обзоры . 45 (1): 72–98. дои :10.1128/г.45.1.72-98.1981. ПМК 281499 . ПМИД  6261109. 
  14. ^ Ёсида, Акира; Помье, Ив; Уэда, Таканори (01 февраля 2006 г.). «Активация эндонуклеазы и фрагментация хромосомной ДНК во время апоптоза в клетках лейкемии». Международный журнал гематологии . 84 (1): 31–37. дои : 10.1007/BF03342699. ISSN  1865-3774. PMID  16867899. S2CID  25475000.
  15. ^ Джин, Ён Хван; Оберт, Робин; Бургерс, Питер М.Дж.; Кункель, Томас А.; Резник, Майкл А.; Горденин, Дмитрий А. (24 апреля 2001 г.). «3'→5'-экзонуклеаза ДНК-полимеразы δ может заменить эндонуклеазу 5'-клапана Rad27/Fen1 при обработке фрагментов Оказаки и предотвращении нестабильности генома». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 98 (9): 5122–5127. дои : 10.1073/pnas.091095198 . ISSN  0027-8424. ПМК 33174 . ПМИД  11309502. 
  16. ^ Лю, Юань; Као, Хуэй-И; Бамбара, Роберт А. (июнь 2004 г.). «Лоскутная эндонуклеаза 1: центральный компонент метаболизма ДНК». Ежегодный обзор биохимии . 73 (1): 589–615. doi : 10.1146/annurev.biochem.73.012803.092453. ISSN  0066-4154. ПМИД  15189154.
  17. ^ Хартманн, Роланд К.; Гессрингер, Маркус; Шпет, Беттина; Фишер, Сьюзен; Марчфельдер, Анита (2009). «Создание тРНК и многого другого - РНКазы P и тРНКазы Z». Прогресс молекулярной биологии и трансляционной науки . 85 : 319–368. дои : 10.1016/S0079-6603(08)00808-8. ISSN  1877-1173. ПМИД  19215776.
  18. ^ Лехарс, Максенс; Кобаяши, Асаки; Хайнсдорф, Элиан (декабрь 2021 г.). «РНКаза III, биогенез рибосом и не только». Микроорганизмы . 9 (12): 2608. doi : 10.3390/microorganisms9122608 . ПМЦ 8708148 . ПМИД  34946208. 
  19. ^ Кюбахер, Анжелика; Урбич, Кармен; Зейхер, Андреас М.; Диммелер, Стефани (6 июля 2007 г.). «Роль Дайсера и Дроши в экспрессии эндотелиальных микроРНК и ангиогенезе». Исследование кровообращения . 101 (1): 59–68. дои : 10.1161/CIRCRESAHA.107.153916. ISSN  0009-7330. ПМИД  17540974.
  20. ^ Фишер, Хайнц; Сабо, Сандра; Шерц, Дженнифер; Джагер, Карин; Росситер, Хайдемари; Бухбергер, Мария; Ганнадан, Мину; Германн, Марсела; Тойссль, Ганс-Кристиан; Тобин, Десмонд Дж.; Вагнер, Эрвин Ф.; Чахлер, Эрвин; Экхарт, Леопольд (июнь 2011 г.). «Основная роль кератиноцитар-специфической 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 . ПМИД  21307874. 
  21. ^ Таня А. Бейкер; Корнберг, Артур (2005). Репликация ДНК . Университетская наука. ISBN 978-1-891389-44-3.
  22. ^ Вэй, CF; Алианелл, Джорджия; Бенсен, GH; Грей Х.Б.-младший (25 ноября 1983 г.). «Выделение и сравнение двух молекулярных видов нуклеазы BAL 31 из Alteromonas espijiana с различными кинетическими свойствами». Журнал биологической химии . 258 (22): 13506–12. дои : 10.1016/S0021-9258(17)43942-1 . ПМИД  6643438.
  23. ^ Линн, С; Леман, ИК (10 июня 1966 г.). «Эндонуклеаза из митохондрий Neurospora crassa». Журнал биологической химии . 241 (11): 2694–9. дои : 10.1016/S0021-9258(18)96595-6 . ПМИД  4287861.
  24. ^ Холломан, ВК; Холлидей, Р. (10 декабря 1973 г.). «Исследования нуклеазы Ustilago maydis. I. Очистка, свойства и участие в рекомбинации фермента». Журнал биологической химии . 248 (23): 8107–13. дои : 10.1016/S0021-9258(19)43199-2 . ПМИД  4201782.
  25. ^ Готлиб, Дж; Музычка, Н. (5 июля 1990 г.). «Очистка и характеристика эндонуклеазы HeLa R. G-специфической эндонуклеазы млекопитающих». Журнал биологической химии . 265 (19): 10836–41. дои : 10.1016/S0021-9258(19)38522-9 . ПМИД  2358441.
  26. ^ Краткий обзор медицинской биохимии . Нью-Йорк: Уайли. 2012. ISBN 978-0-470-65451-4.
  27. ^ Ферье Д.Р., Чамп ПК, Харви Р.П. (2008). Биохимия . Филадельфия: Уолтерс Клювер/Липпинкотт Уильямс и Уилкинс. 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 понтоцеребеллярную гипоплазию». Нат. Жене. 40 (9): 1113–8. дои : 10.1038/ng.204. PMID  18711368. S2CID  205345070.