Направляющая эндонуклеаза

Тип фермента

Кристаллическая структура I-CreI , связанная с последовательностью распознавания ДНК . Фермент связывается как гомодимер; одна субъединица изображена желтым цветом, другая — розовым. Фермент показан в поверхностном представлении; молекула ДНК показана как набор сфер, каждая из которых окрашена в соответствии со своим химическим элементом .

Направляющие эндонуклеазы представляют собой набор эндонуклеаз, кодируемых либо как отдельные гены в интронах , либо как слияния с белками хозяина, либо как самосплайсирующиеся интеины . Они катализируют гидролиз геномной ДНК в клетках, которые их синтезируют, но делают это в очень немногих или даже единичных местах. Репарация гидролизованной ДНК клеткой хозяина часто приводит к тому, что ген, кодирующий направляющую эндонуклеазу, копируется в сайт расщепления, отсюда и термин «направляющий» для описания перемещения этих генов. Направляющие эндонуклеазы могут таким образом передавать свои гены горизонтально в популяции хозяина, увеличивая частоту их аллелей со скоростью, превышающей менделевскую.

Происхождение и механизм

Хотя происхождение и функции хоуминг-эндонуклеаз все еще изучаются, наиболее устоявшаяся гипотеза рассматривает их как эгоистичные генетические элементы ^[1] , подобные транспозонам , поскольку они способствуют сохранению генетических элементов, которые их кодируют, независимо от предоставления функционального атрибута организму-хозяину.

Последовательности распознавания самонаводящейся эндонуклеазы достаточно длинные, чтобы возникать случайным образом только с очень низкой вероятностью (примерно один раз в7 × 10 ⁹  п.н. ), ^[2] и обычно встречаются в одном или очень немногих случаях на геном . Как правило, благодаря механизму самонаведения ген, кодирующий эндонуклеазу (HEG, «ген самонаводящейся эндонуклеазы»), располагается в последовательности распознавания, которую разрезает фермент, тем самым прерывая последовательность распознавания самонаводящейся эндонуклеазы и ограничивая разрезание ДНК только участками, которые (пока) не несут HEG.

До передачи один аллель несет ген (HEG ⁺ ), а другой нет (HEG ⁻ ), и поэтому подвержен разрезанию ферментом. После синтеза фермента он разрывает хромосому в аллеле HEG ⁻ , инициируя ответ со стороны клеточной системы репарации ДНК . Повреждение восстанавливается с помощью рекомбинации , принимая образец противоположного, неповрежденного аллеля ДНК, HEG ⁺ , который содержит ген эндонуклеазы. Таким образом, ген копируется в аллель, который изначально его не имел, и он распространяется через последующие поколения. ^[3] Этот процесс называется «хоуминг». ^[3]

Номенклатура

Самонаводящиеся эндонуклеазы всегда обозначаются префиксом, который идентифицирует их геномное происхождение, за которым следует дефис: «I-» для самонаводящихся эндонуклеаз, закодированных в интроне, «PI-» (для «белковой вставки») для тех, которые закодированы в интеине. Некоторые авторы предложили использовать префикс «F-» («автономный») для вирусных ферментов и других природных ферментов, не кодируемых ни интронами, ни интеинами, ^[4] и «H-» («гибридный») для ферментов, синтезированных в лаборатории. ^[5] Затем трехбуквенное название получается из биноминального названия организма, беря одну заглавную букву из названия рода и две строчные буквы из видового названия. (Некоторое смешивание обычно делается для гибридных ферментов.) Наконец, римская цифра различает различные ферменты, обнаруженные в одном и том же организме:

• PI-TliII ( P30317 ) — второй идентифицированный фермент, кодируемый интеином, обнаруженным в архее Thermococcus litoralis . ^{[6] [7] [8]}
• H-DreI ( PDB : 1MOW ​) — первая синтетическая самонаводящаяся эндонуклеаза, созданная в лаборатории из ферментов I-DmoI ( P21505 ) и I-CreI ( P05725 ), взятых соответственно из Desulfurococcus mobilis и Chlamydomonas reinhardtii . ^{[5] [9]}

Сравнение с рестрикционными ферментами

Хоминг-эндонуклеазы отличаются от рестриктаз типа II по нескольким параметрам: ^[4]

• В то время как ферменты рестрикции типа II связывают короткие, обычно симметричные, последовательности распознавания длиной от 4 до 8  пар оснований , хоминг-эндонуклеазы связывают очень длинные и во многих случаях асимметричные последовательности распознавания длиной от 12 до 40 пар оснований.
• Хоминг-эндонуклеазы, как правило, более терпимы к заменам в последовательности распознавания. Незначительные изменения в последовательности распознавания обычно снижают активность хоминг-эндонуклеаз, но часто не полностью отменяют ее, как это часто происходит с рестриктазами. ^{[10] [11]}
• Хоминговые эндонуклеазы имеют общие структурные мотивы , которые позволяют предположить, что существует четыре семейства, тогда как определить однозначно распознаваемые и отличительные семейства рестриктаз типа II не удалось.
• Хоминг-эндонуклеазы действуют как мономеры или гомодимеры и часто требуют ассоциированных белков для регулирования их активности ^[12] или формирования рибонуклеопротеиновых комплексов , где РНК является неотъемлемым компонентом каталитического аппарата. ^[13] Ферменты рестрикции типа II также могут функционировать самостоятельно, как мономеры или гомодимеры, ^[14] или с дополнительными белковыми субъединицами , ^[15] но вспомогательные субъединицы отличаются от субъединиц хоминг-эндонуклеаз. Таким образом, для их действия могут потребоваться субъединицы рестрикции, модификации и специфичности. ^[15]
• Наконец, хоминг-эндонуклеазы имеют более широкое филогенетическое распределение, встречаясь во всех трех биологических доменах — археях , бактериях и эукариотах . Рестрикционные ферменты типа II встречаются только в археях, бактериях и некоторых вирусах. ^{[16] [17] [18]} Хоминг-эндонуклеазы также экспрессируются во всех трех компартментах эукариотической клетки: ядрах , митохондриях и хлоропластах . Открытые рамки считывания, кодирующие хоминг-эндонуклеазы, были обнаружены в интронах , интеинах и в отдельно стоящей форме между генами, тогда как гены, кодирующие гены рестриктаз типа II, были обнаружены только в отдельно стоящей форме, почти всегда в тесной связи с генами, кодирующими родственные ферменты, модифицирующие ДНК. ^[19] Таким образом, в то время как рестриктазы типа II и хоминг-эндонуклеазы разделяют функцию расщепления двухцепочечной ДНК, они, по-видимому, эволюционировали независимо.

Структурные семьи

В настоящее время известно шесть структурных семейств. Их сохранившиеся структурные мотивы : ^[4]

• LAGLIDADG: Каждый полипептид имеет 1 или 2 мотива LAGLIDADG. Последовательность LAGLIDADG представляет собой консервативную последовательность аминокислот , где каждая буква является кодом, который идентифицирует определенный остаток. Эта последовательность напрямую участвует в процессе разрезания ДНК. Те ферменты, которые имеют только один мотив, работают как гомодимеры, создавая седло, которое взаимодействует с большой бороздкой каждого полусайта ДНК. Мотивы LAGLIDADG вносят аминокислотные остатки как в белок-белковый интерфейс между доменами или субъединицами белка, так и в активные центры фермента. Ферменты, которые имеют два мотива в одной белковой цепи, действуют как мономеры, создавая седло аналогичным образом. Первые структуры самонаводящихся эндонуклеаз (PI-SceI и I-CreI, обе были описаны в 1997 году) были из структурного семейства LAGLIDADG. ^{[20] [21]} В следующем году также была описана первая структура самонаводящейся эндонуклеазы (I-CreI), связанной с ее целевым сайтом ДНК. ^[9]
• GIY-YIG: У них есть только один мотив GIY-YIG в N-концевой области, который взаимодействует с ДНК в месте разрезания. Прототипическим ферментом этого семейства является I-TevI, который действует как мономер. Были опубликованы отдельные структурные исследования ДНК-связывающих и каталитических доменов I-TevI, первый из которых связан с целевой ДНК, а второй — в отсутствие ДНК. ^{[22] [23]}
• His-Cys box ( Pfam PF05551): Эти ферменты обладают областью из 30 аминокислот, которая включает 5 консервативных остатков: два гистидина и три цистеина . Они координируют катион металла, необходимый для катализа. I-PpoI является наиболее охарактеризованным ферментом этого семейства и действует как гомодимер. Его структура была описана в 1998 году. ^[24] Возможно, он связан с семейством HNH, поскольку они имеют общие черты. ^[25]
• HNH: ( Pfam CL0263): Они имеют консенсусную последовательность из приблизительно 30 аминокислот. Она включает две пары консервативных гистидинов и один аспарагин , которые создают домен цинкового пальца . I-HmuI ( P34081 ) является наиболее охарактеризованным ферментом этого семейства и действует как мономер. Его структура была описана в 2004 году ( PDB : 1U3E ​). ^[26]
• PD-(D/E)xK ( Pfam CL0236): Эти ферменты содержат канонический нуклеазный каталитический домен, обычно встречающийся в эндонуклеазах рестрикции типа II. Наиболее охарактеризованный фермент в этом семействе, I-Ssp6803I ( Q57253 ), действует как тетрамер. Его структура была описана в 2007 году ( PDB : 2OST ​). ^[27] Общая укладка сохраняется во многих семействах эндонуклеаз, все из которых принадлежат к суперсемейству PD-(D/E)xK. ^[28]
• Vsr-подобный/EDxHD (DUF559, InterPro :  IPR007569 ): эти ферменты были обнаружены в базе данных Global Ocean Sampling Metagenomic Database и впервые описаны в 2009 году. Термин «Vsr-подобный» относится к наличию домена C-концевой нуклеазы, который демонстрирует узнаваемую гомологию с бактериальными эндонуклеазами репарации очень коротких участков (Vsr). ^[29] Структура была решена в 2011 году, что подтвердило гомологию Vsr. ^[30] Считается частью суперсемейства PD-(D/E)xk. ^[28]

Архитектура домена

Дрожжевая эндонуклеаза PI-Sce является эндонуклеазой типа LAGLIDADG, кодируемой как интеин , который вычленяет себя из другого белка ( P17255 ). Структура высокого разрешения выявляет два домена : эндонуклеолитический центр, напоминающий С-концевой домен белков Hedgehog , и домен Hint (Hedgehog/Intein), содержащий активный сайт сплайсинга белка . ^[31]

Смотрите также

• REBASE — комплексная база данных рестрикционных ферментов от New England Biolabs со ссылками на соответствующую литературу.
• Список сайтов разрезания самонаводящейся эндонуклеазы
• I-CreI хоуминг эндонуклеаза
• Мегануклеазы
• Рестрикционный фермент
• Интроны и интеины
• Внутригеномный конфликт: гены эндонуклеазы самонаведения
• Транспозон

Ссылки

1. Edgell DR (февраль 2009 г.). «Эгоистичная ДНК: самонаводящиеся эндонуклеазы находят дом». Curr Biol . 19 (3): R115–R117. doi : 10.1016/j.cub.2008.12.019 . PMID  19211047. S2CID  2380439.
2. Jasin M (июнь 1996). «Генетическая манипуляция геномесяцем с редкоразрезающими эндонуклеазами». Trends Genet . 12 (6): 224–8. doi : 10.1016/0168-9525(96)10019-6 . PMID  8928227.
3. Burt A, Koufopanou V (декабрь 2004 г.). «Гены самонаводящейся эндонуклеазы: взлет, падение и новый взлет эгоистичного элемента». Curr Opin Genet Dev . 14 (6): 609–15. doi :10.1016/j.gde.2004.09.010. PMID  15531154.
4. Belfort M, Roberts RJ (сентябрь 1995 г.). «Наведение эндонуклеаз: поддержание порядка в доме». Nucleic Acids Res . 25 (17): 3379–88. doi :10.1093/nar/25.17.3379. PMC 146926. PMID  9254693 . 
5. Chevalier BS, Kortemme T, Chadsey MS, Baker D, Monnat RJ, Stoddard BL (октябрь 2002 г.). «Конструкция, активность и структура высокоспецифичной искусственной эндонуклеазы». Mol. Cell . 10 (4): 895–905. doi : 10.1016/S1097-2765(02)00690-1 . PMID  12419232.
6. Хирата Р., Охсумк И., Накано А., Кавасаки Х., Сузуки К., Анраку И. (апрель 1990 г.). «Молекулярная структура гена VMA1, кодирующего каталитическую субъединицу H(+)-транслоцирующей аденозинтрифосфатазы из вакуолярных мембран Saccharomyces cerevisiae». J Biol Chem . 265 (12): 6726–33. doi : 10.1016/S0021-9258(19)39210-5 . PMID  2139027.
7. Kane PM, Yamashiro CT, Wolczyk DF, Neff N, Goebl M, Stevens TH (ноябрь 1990 г.). «Сплайсинг белка преобразует продукт гена дрожжей TFP1 в субъединицу 69-кДа вакуолярной H(+)-аденозинтрифосфатазы». Science . 250 (4981): 651–7. Bibcode :1990Sci...250..651K. doi :10.1126/science.2146742. PMID  2146742.
8. Perler FB, Comb DG, Jack WE, Moran LS, Qiang B, Kucera RB, Benner J, Slatko BE, Nwankwo DO, Hempstead SK, Carlow CK, Jannasch H (июнь 1992 г.). «Вмешательство последовательностей в ген ДНК-полимеразы архей». PNAS . 89 (12): 5577–81. Bibcode :1992PNAS...89.5577P. doi : 10.1073/pnas.89.12.5577 . PMC 49335 . PMID  1608969. 
9. Jurica MS, Monnat RJ, Stoddard BL (октябрь 1998 г.). «Распознавание и расщепление ДНК самонаводящейся эндонуклеазой LAGLIDADG I-CreI» (PDF) . Mol. Cell . 2 (4): 469–76. doi :10.1016/S1097-2765(00)80146-X. PMID  9809068.
10. Gimble FS, Wang J (октябрь 1996 г.). «Распознавание субстрата и вызванное искажение ДНК эндонуклеазой PI-SceI, ферментом, генерируемым сплайсингом белков». J Mol Biol . 263 (2): 163–80. doi :10.1006/jmbi.1996.0567. PMID  8913299.
11. Argast GM, Stephens KM, Emond MJ, Monnat RJ (июль 1998 г.). «Вырождение последовательности сайтов самонаведения I-PpoI и I-CreI, определяемое случайным мутагенезом и последовательным обогащением in vitro». J Mol Biol . 280 (3): 345–53. doi :10.1006/jmbi.1998.1886. PMID  9665841.
12. Шибата Т., Накагава К., Моришима Н. (1995). «Мультисайт-специфические эндонуклеазы и инициация гомологичной генетической рекомбинации у дрожжей». Adv Biophys . 31 : 77–91. doi :10.1016/0065-227X(95)99384-2. PMID  7625280.
13. Zimmerly S, Guo H, Eskes R, Yang J, Perlman PS, Lambowitz AM (ноябрь 1995 г.). «Интронная РНК группы II является каталитическим компонентом эндонуклеазы ДНК, участвующей в подвижности интронов». Cell . 83 (4): 529–38. doi : 10.1016/0092-8674(95)90092-6 . PMID  7585955. S2CID  10456475.
14. Линн, Стюарт М.; Ллойд, Р. Стивен; Робертс, Ричард Дж. (декабрь 1993 г.). Нуклеазы . Cold Spring Harbor Press . стр. 35–88. ISBN 978-0-87969-426-5.
15. Linn, Stuart M; Lloyd, R Stephen; Roberts, Richard J (декабрь 1993 г.). Нуклеазы . Cold Spring Harbor Press . стр. 89–109. ISBN 978-0-87969-426-5.
16. Roberts RJ, Macelis D (январь 1997). "REBASE-рестрикционные ферменты и метилазы". Nucleic Acids Res . 25 (1): 248–62. doi :10.1093/nar/25.1.248. PMC 146408. PMID  9016548 . 
17. Lambowitz AM, Belfort M (1993). «Интроны как мобильные генетические элементы». Annu Rev Biochem . 62 : 587–622. doi :10.1146/annurev.bi.62.070193.003103. PMID  8352597.
18. Линн, Стюарт М.; Ллойд, Р. Стивен; Робертс, Ричард Дж. (декабрь 1993 г.). Нуклеазы . Cold Spring Harbor Press . стр. 111–143. ISBN 978-0-87969-426-5.
19. Wilson GG (декабрь 1988 г.). «Клонированные системы рестрикции-модификации — обзор». Gene . 74 (1): 281–9. doi :10.1016/0378-1119(88)90304-6. PMID  3074014.
20. Хит, П. и др. (июнь 1997 г.). «Структура I-Crel, самонаводящейся эндонуклеазы, кодируемой интроном группы I». Nature Structural Biology . 4 (6): 468–476. doi :10.1038/nsb0697-468. PMID  9187655. S2CID  12261983.
21. Дуань, X. (май 1997). «Кристаллическая структура PI-SceI, самонаводящейся эндонуклеазы с активностью сплайсинга белков». Cell . 89 (4): 555–564. doi : 10.1016/S0092-8674(00)80237-8 . PMID  9160747. S2CID  14156646.
22. Ван Рой, П.; Фокс, К.М.; и др. (июль 2001 г.). «Сплетенная структура ДНК-связывающего домена интронной эндонуклеазы I-TevI ​​с ее субстратом». EMBO J . 20 (14): 3631–3637. doi :10.1093/emboj/20.14.3631. PMC 125541 . PMID  11447104. 
23. Ван Рой, П.; Ковальски, Джозеф К.; и др. (июль 2002 г.). «Структура каталитического домена и гипотеза функции эндонуклеазы интрона I-TevI ​​GIY-YIG». Nature Structural Biology . 9 (11): 806–811. doi :10.1038/nsb853. PMID  12379841. S2CID  24856337.
24. Флик, К.; и др. (июль 1998 г.). «Связывание и расщепление ДНК кодируемой ядерным интроном самонаводящейся эндонуклеазой I-PpoI». Nature . 394 (6688): 96–101. Bibcode :1998Natur.394...96F. doi :10.1038/27952. PMID  9665136. S2CID  4427957.
25. Хафез, М.; Хауснер, Г. (август 2012 г.). «Направляющие эндонуклеазы: ДНК-ножницы на задании». Геном . 55 (8): 553–69. doi :10.1139/g2012-049. PMID  22891613. S2CID  29183470.
26. Шен, Б. В. и др. (сентябрь 2004 г.). «Связывание и расщепление ДНК самонаводящейся эндонуклеазой HNH I-HmuI». J. Mol. Biol . 342 (1): 43–56. doi :10.1016/j.jmb.2004.07.032. PMID  15313606. S2CID  15990707.
27. Zhao, L.; et al. (май 2007). «Рестрикционная складка поворачивается на темную сторону: бактериальная самонаводящаяся эндонуклеаза с мотивом PD-(D/E)-XK». EMBO Journal . 26 (9): 2432–2442. doi :10.1038/sj.emboj.7601672. PMC 1864971. PMID  17410205 . 
28. Steczkiewicz, K; Muszewska, A; Knizewski, L; Rychlewski, L; Ginalski, K (август 2012 г.). "Последовательность, структура и функциональное разнообразие суперсемейства фосфодиэстеразы PD-(D/E)XK". Nucleic Acids Research . 40 (15): 7016–45. doi :10.1093/nar/gks382. PMC 3424549 . PMID  22638584. 
29. Dassa, B.; et al. (март 2009). «Fractured genes: a novel genomic arrangement including new split inteins and a new homing endonuclease family». Nucleic Acids Research . 37 (8): 2560–2573. doi :10.1093/nar/gkp095. PMC 2677866. PMID  19264795 . 
30. Тейлор, ГК; Хейтер, ДФ; Пьетроковски, С; Стоддард, БЛ (декабрь 2011 г.). «Активность, специфичность и структура I-Bth0305I: представитель нового семейства самонаводящихся эндонуклеаз». Nucleic Acids Research . 39 (22): 9705–19. doi :10.1093/nar/gkr669. PMC 3239194. PMID  21890897 . 
31. Moure CM, Gimble FS, Quiocho FA (октябрь 2002 г.). «Кристаллическая структура эндонуклеазы самонаведения интеина PI-SceI, связанной с ее последовательностью распознавания». Nat. Struct. Biol . 9 (10): 764–70. doi :10.1038/nsb840. PMID  12219083. S2CID  40192379.

Внешние ссылки

• Perler FB. "InBase". Архивировано из оригинала 2010-08-02 . Получено 2010-08-09 . База данных и реестр Intein (из New England Biolabs)
• Perler FB (январь 2002 г.). "InBase: база данных Intein". Nucleic Acids Res . 30 (1): 383–4. doi :10.1093/nar/30.1.383. PMC  99080. PMID  11752343 .

В статье использован текст из общедоступных источников Pfam и InterPro : IPR007868

В статье использован текст из общедоступных источников Pfam и InterPro : IPR007869