Дезоксирибозимы , также называемые ферментами ДНК , ДНКзимами или каталитическими ДНК , представляют собой олигонуклеотиды ДНК , способные осуществлять специфическую химическую реакцию , часто, но не всегда, каталитическую . Это похоже на действие других биологических ферментов , таких как белки или рибозимы (ферменты, состоящие из РНК ). [1] Однако, в отличие от обилия белковых ферментов в биологических системах и открытия биологических рибозимов в 1980-х годах, [2] [3]существует лишь небольшое количество данных о встречающихся в природе дезоксирибозимах. [4] [5] Дезоксирибозимы не следует путать с аптамерами ДНК, которые представляют собой олигонуклеотиды, избирательно связывающие лиганд -мишень , но не катализирующие последующую химическую реакцию.
За исключением рибозимов, молекулы нуклеиновых кислот в клетках в первую очередь служат хранилищем генетической информации благодаря своей способности образовывать комплементарные пары оснований , что позволяет выполнять копирование и передачу генетической информации с высокой точностью . Напротив, молекулы нуклеиновых кислот более ограничены в своей каталитической способности, по сравнению с белковыми ферментами, только тремя типами взаимодействий: водородными связями , пи-стэкингом и координацией ионов металлов . Это связано с ограниченным числом функциональных групп мономеров нуклеиновых кислот : в то время как белки построены из до двадцати различныхаминокислоты с различными функциональными группами, нуклеиновые кислоты построены всего из четырех химически сходных азотистых оснований . Кроме того, в ДНК отсутствует 2'- гидроксильная группа, присутствующая в РНК, что ограничивает каталитическую способность дезоксирибозимов даже по сравнению с рибозимами. [6]
В дополнение к присущей ДНК неполноценной каталитической активности очевидный недостаток встречающихся в природе дезоксирибозимов также может быть связан с преимущественно двухцепочечной конформацией ДНК в биологических системах, которая ограничивала бы ее физическую гибкость и способность образовывать третичные структуры , и поэтому резко ограничить способность двухцепочечной ДНК выступать в качестве катализатора; [6] хотя есть несколько известных примеров биологической одноцепочечной ДНК, таких как мультикопия одноцепочечной ДНК (мсДНК), определенные вирусные геномы и репликационная вилка .образуются при репликации ДНК. Дополнительные структурные различия между ДНК и РНК также могут играть роль в отсутствии биологических дезоксирибозимов, таких как дополнительная метильная группа тимидина в основании ДНК по сравнению с урацилом в основании РНК или тенденция ДНК принимать спираль В-формы , в то время как РНК имеет тенденцию принимать спираль А-формы . [1] Однако было также показано, что ДНК может образовывать структуры, которые не могут формировать РНК, что предполагает, что, хотя существуют различия в структурах, которые каждая из них может образовывать, ни одна из них по своей природе не является более или менее каталитической из-за их возможных структурных мотивов. [1]
Наиболее многочисленным классом дезоксирибозимов являются рибонуклеазы , которые катализируют расщепление фосфодиэфирной связи рибонуклеотида посредством реакции переэтерификации с образованием 2'3'-циклического фосфатного конца и 5'- гидроксильного конца. [6] [8]Рибонуклеазные дезоксирибозимы обычно подвергаются селекции в виде длинных одноцепочечных олигонуклеотидов, которые содержат одно рибонуклеотидное основание, действующее в качестве сайта расщепления. После секвенирования эта одноцепочечная «цис»-форма дезоксирибозима может быть преобразована в двухцепочечную «транс»-форму путем разделения домена субстрата (содержащего сайт расщепления рибонуклеотида) и домена фермента (содержащего каталитическое ядро). на отдельные нити, которые могут гибридизоваться через два фланкирующих плеча, состоящих из комплементарных пар оснований .