Эндонуклеазы - это ферменты, которые расщепляют фосфодиэфирную связь в полинуклеотидной цепи. Некоторые, такие как дезоксирибонуклеаза I , разрезают ДНК относительно неспецифично (безотносительно к 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 узнаваемых последовательностей вместо средней (эндо) части. Однако некоторые ферменты, известные как « экзо-эндонуклеазы », не ограничиваются ни одной из нуклеазных функций, проявляя как эндо-, так и экзо-подобные свойства. [1]Данные свидетельствуют о том, что активность эндонуклеазы отстает от активности экзонуклеазы. [2]
Рестрикционные ферменты - это эндонуклеазы эубактерий и архей, которые распознают определенную последовательность ДНК. [3] Нуклеотидная последовательность, распознаваемая для расщепления рестрикционным ферментом, называется сайтом рестрикции. Обычно сайт рестрикции представляет собой палиндромную последовательность длиной от четырех до шести нуклеотидов. Большинство эндонуклеаз рестрикции расщепляют нить ДНК неравномерно, оставляя комплементарные одноцепочечные концы. Эти концы могут повторно соединяться посредством гибридизации и называются «липкими концами». После образования пары фосфодиэфирные связи фрагментов могут быть соединены ДНК-лигазой . Известны сотни эндонуклеаз рестрикции, каждая из которых атакует свой сайт рестрикции. Фрагменты ДНК, расщепленные одной и той же эндонуклеазой, можно соединить вместе независимо от происхождения ДНК. Такая ДНК называется рекомбинантной ДНК ; ДНК образуется путем объединения генов в новые комбинации. [4] Эндонуклеазы рестрикции ( рестрикционные ферменты ) делятся на три категории: Тип I, Тип II и Тип III, в зависимости от их 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 в относительной степени способствуют расщеплению определенных последовательностей. Типы I и III представляют собой большие многосубъединичные комплексы, которые включают как эндонуклеазную, так и метилазную активности. Тип I может отщеплять на случайных участках около 1000 пар оснований или более из последовательности распознавания, и для этого требуется 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 их разложения. Некоторые примеры эндонуклеаз рестрикции типа II включают Bam HI, Eco RI, Eco RV, Hin dIII и Hae III. Тип III, однако, расщепляет ДНК примерно на 25 пар оснований от последовательности распознавания и также требует АТФ в этом процессе. [4]
Обозначения
Обычно используется обозначение эндонуклеаз рестрикции [6] в форме « Vwx yZ », где « Vwx » курсивом обозначает первую букву рода и первые две буквы вида, в котором может быть обнаружена эта эндонуклеаза рестрикции, например, Escherichia coli , Eco и Haemophilus influenzae , Hin . За ним следует необязательный, не выделенный курсивом символ «y», который указывает на тип или идентификацию штамма, например, Eco R для штаммов E. coli , несущих фактор переноса устойчивости к лекарствам RTF-1, [6] Eco B для E .coli штамм B, [7] и Hin d для штамма H. influenzae d . [6] Наконец, когда конкретный 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, Hin dIII и т. Д. : « Hae II» и « Hae III» относятся к бактерии Haemophilus aegyptius (штамм не указан), эндонуклеазам рестрикции номер II и номер III, соответственно. [4] : 64–64 Рестрикционные ферменты, используемые в молекулярной биологии, обычно распознают короткие последовательности-мишени примерно из 4-8 пар оснований. Например, фермент Eco RI распознает и расщепляет последовательность 5 '- GAATTC - 3'. [8]
Эндонуклеазы рестрикции бывают нескольких типов. Эндонуклеаза рестрикции обычно требует сайта узнавания и образца расщепления (обычно нуклеотидных оснований: A, C, G, T). Если сайт узнавания находится за пределами области образца расщепления, то эндонуклеаза рестрикции обозначается как тип I. Если последовательность узнавания перекрывается с последовательностью расщепления, тогда фермент рестрикции эндонуклеаза рестрикции относится к типу II.
Дальнейшее обсуждение
Могут быть обнаружены рестрикционные эндонуклеазы, которые расщепляют стандартную дцДНК (двухцепочечную ДНК), или оцДНК (одноцепочечную ДНК), или даже РНК. Это обсуждение ограничено дцДНК; тем не менее, обсуждение может быть расширено до следующего:
- Стандартная дцДНК
- Нестандартная ДНК
- Праздничные развязки
- Трехцепочечная ДНК , четырехцепочечная ДНК ( G-квадруплекс )
- Двухцепочечные гибриды ДНК и РНК (одна цепь - ДНК, другая - РНК) [4] : 72–73
- Синтетическая или искусственная ДНК (например, содержащая основания, отличные от A, C, G, T, относится к работе Eric T. Kool ). Исследования с синтетическими кодонами , относящиеся к исследованию S. Benner, и увеличение аминокислотного набора в полипептидах, таким образом увеличивая протеом или протеомику , см. В исследовании P. Schultz. [4] : глава 3
Кроме того, в настоящее время ведутся исследования по созданию синтетических или искусственных эндонуклеаз рестрикции, особенно с сайтами узнавания, уникальными в пределах генома.
Рестрикционные эндонуклеазы или рестрикционные ферменты обычно расщепляются двумя способами: с тупыми или липкими концами. Пример эндонуклеазы рестрикции типа I. [4] : 64
Кроме того, существуют неспецифические ДНК / РНК эндонуклеазы , такие как те, что обнаружены в Serratia marcescens , которые действуют на дцДНК, оцДНК и РНК.
Ремонт ДНК
Эндонуклеазы играют роль в репарации ДНК. Эндонуклеаза АР , в частности, катализирует разрез ДНК исключительно по участкам АР и, следовательно, подготавливает ДНК для последующего вырезания, репарационного синтеза и лигирования ДНК. Например, когда происходит депуринизация, это поражение оставляет сахар дезоксирибозы с отсутствующим основанием. [9] Эндонуклеаза АР распознает этот сахар и по существу разрезает ДНК на этом участке, а затем позволяет продолжить восстановление ДНК. [10] Клетки E. coli содержат две АР-эндонуклеазы: эндонуклеазу IV (endoIV) и экзонуклеазу III (exoIII), тогда как у эукариот существует только одна АР-эндонуклеаза. [11]
Общие эндонуклеазы
Ниже приведены таблицы распространенных прокариотических и эукариотических эндонуклеаз. [12]
Прокариотический фермент | Источник | Комментарии |
---|---|---|
Энонуклеаза RecBCD | Кишечная палочка | Частично зависит от АТФ; также экзонуклеаза; функции в рекомбинации и ремонте |
Эндонуклеаза Т7 ( P00641 ) | фаг Т7 (ген 3) | Необходим для репликации; предпочтение одноцепочечной над двухцепочечной ДНК |
Эндонуклеаза Т4 II ( P07059 ) | фаг Т4 (denA) | Расщепляет последовательность -TpC- с получением олигонуклеотидов с концевым 5'-dCMP; длина цепочки продукта зависит от условий |
Эндонуклеаза Bal 31 | P. espejiana | Также экзонуклеаза; откусывает 3 'и 5' концы дуплексной ДНК. Смесь как минимум двух нуклеаз, быстрой и медленной. [13] |
Эндонуклеаза I (эндо I; P25736 ) | E. coli (endA) | Периплазматическая локация; средняя длина цепочки товара 7; ингибируется тРНК; производит двухцепочечный разрыв ДНК; производит ник при образовании комплекса с тРНК; эндо I мутанты нормально растут |
Микрококковая нуклеаза ( P00644 ) | Стафилококк | Образует 3'-P концы; требуется Ca2 +; также действует на РНК; предпочитает одноцепочечную ДНК и богатые АТ участки |
Эндонуклеаза II (эндо VI, экзо III; P09030 ) | E. coli (xthA) | Расщепление рядом с AP-сайтом; также экзонуклеаза 3 '-> 5'; фосфомоноэстераза на 3'-P концах |
Эукариотический фермент | Источник | Комментарии |
Эндонуклеаза нейроспоры [14] | Neurospora crassa, митохондрии | Также действует на РНК. |
Нуклеаза S1 ( P24021 ) | Aspergillus oryzae | Также действует на РНК |
Р1-нуклеаза ( P24289 ) | Penicillium citrinum | Также действует на РНК |
Нуклеаза бобов мунг I | ростки маш | Также действует на РНК |
Нуклеаза устилаго (ДНКаза I) [15] | Ustilago Maydis | Также действует на РНК |
Дназа I ( P00639 ) | Поджелудочная железа крупного рогатого скота | Средняя длина цепочки товара - 4; образует двойной разрыв цепи в присутствии Mn2 + |
Эндонуклеаза AP | Ядро, митохондрии | Участвует в процессе эксцизионного восстановления оснований ДНК |
Эндо Р [16] | Клетки HeLa | Специально для сайтов GC |
Мутации
Пигментная ксеродермия - редкое аутосомно-рецессивное заболевание, вызываемое дефектной УФ-специфической эндонуклеазой. Пациенты с мутациями не могут восстановить повреждение ДНК, вызванное солнечным светом. [17]
Серповидно-клеточная анемия - это заболевание, вызванное точечной мутацией. Последовательность, измененная мутацией, устраняет сайт узнавания для эндонуклеазы рестрикции MstII, которая распознает нуклеотидную последовательность. [18]
Мутации эндонуклеазы сплайсинга тРНК вызывают понтоцеребеллярную гипоплазию. Понтоцеребеллярная гипоплазия (PCH) представляет собой группу нейродегенеративных аутосомно-рецессивных заболеваний, которые вызваны мутациями в трех из четырех различных субъединиц эндонуклеазного комплекса сплайсинга тРНК. [19]
Смотрите также
- Экзонуклеаза
- Эндонуклеаза рестрикции
- Нуклеаза
- Рибонуклеаза
- Эндонуклеаза AP
- HUH-тег
Рекомендации
- ^ «Свойства экзонуклеаз и эндонуклеаз» . New England BioLabs . 2017 . Проверено 21 мая 2017 года .
- ^ Слор, Ханох (14 апреля 1975 г.). «Различие между экзонуклеазами и эндонуклеазами, а также между гаплотомными и диплотомными эндонуклеазами с использованием покрытых 3H-ДНК лунок пластиковых депрессионных планшетов в качестве субстрата» . Исследования нуклеиновых кислот . 2 (6): 897–903. DOI : 10.1093 / NAR / 2.6.897 . PMC 343476 . PMID 167356 .
- ^ Стивен Т. Килпатрик; Джоселин Э. Кребс; Левин, Бенджамин; Гольдштейн, Эллиотт (2011). Левина гены X . Бостон: Джонс и Бартлетт. ISBN 978-0-7637-6632-0.
- ^ а б в г д е Кокс М., Нельсон Д.Р., Ленингер А.Л. (2005). Принципы биохимии Ленингера . Сан-Франциско: WH Freeman. С. 952 . ISBN 978-0-7167-4339-2.
- ^ Саймон М (2010). Новые вычисления: акцент на биоинформатике . Нью-Йорк: Спрингер. п. 437. ISBN. 978-1441919632.
- ^ а б в Смит, Х.о .; Натанс, Д. (15 декабря 1973 г.). «Предлагаемая номенклатура для бактериальных систем модификации и рестрикции хозяев и их ферментов». Журнал молекулярной биологии . 81 (3): 419–23. DOI : 10.1016 / 0022-2836 (73) 90152-6 . PMID 4588280 .
- ^ Рубин, РА; Модрич, П. (25 октября 1977 г.). «EcoRI-метилаза» . Журнал биологической химии . 252 (20): 7265–72. PMID 332688 .
- ^ 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.
- ^ Элленбергер Т., Фридберг ЕС, Уокер Г.С., Вольфрам С., Вуд Р.Дж., Шульц Р. (2006). Ремонт ДНК и мутагенез . Вашингтон, округ Колумбия: ASM Press. ISBN 978-1-55581-319-2.
- ^ Альбертс Б. (2002). Молекулярная биология клетки . Нью-Йорк: Наука о гирляндах. ISBN 978-0-8153-3218-3.
- ^ 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 .
- ^ Таня А. Бейкер; Корнберг, Артур (2005). Репликация ДНК . Университетская наука. ISBN 978-1-891389-44-3.
- ^ Wei, CF; Alianell, GA; Bencen, GH; Грей HB, младший (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. PMID 6643438 .
- ^ Linn, S; Lehman, IR (10 июня 1966 г.). «Эндонуклеаза митохондрий Neurospora crassa». Журнал биологической химии . 241 (11): 2694–9. PMID 4287861 .
- ^ Холломан, WK; Холлидей, Р. (10 декабря 1973 г.). «Исследования нуклеазы из Ustilago maydis. I. Очистка, свойства и участие в рекомбинации фермента». Журнал биологической химии . 248 (23): 8107–13. PMID 4201782 .
- ^ Готтлиб, Дж; Muzyczka, N (5 июля 1990 г.). «Очистка и характеристика эндонуклеазы HeLa R. G-специфической эндонуклеазы млекопитающих». Журнал биологической химии . 265 (19): 10836–41. PMID 2358441 .
- ^ Краткий обзор медицинской биохимии . Нью-Йорк: Вили. 2012. ISBN. 978-0-470-65451-4.
- ^ Ферриер Д.Р., Шампе П.С., Харви Р.П. (2008). Биохимия . Филадельфия: Уолтерс Клувер / Липпинкотт Уильямс и Уилкинс. ISBN 978-0-7817-6960-0.
- ^ Бадде Б.С., Намавар Й., Барт П.Г., Опрос-БТ, Нюрнберг Дж., Беккер К., ван Рейссен Ф., Ветерман М.А., Флюитер К., те Бик Е.Т., Ароника Э., ван дер Кнаап М.С., Хёне В., Толиат М.Р., Ворон Ю.Дж. , Steinling M, Voit T, Roelenso F, Brussel W, Brockmann K, Kyllerman M, Boltshauser E, Hammersen G, Willemsen M, Basel-Vanagaite L, Krägeloh-Mann I, de Vries LS, Sztriha L, Muntoni F, Ferrie CD , Баттини Р., Хеннекам Р.С., Грилло Э., Бимер Ф.А., Стоетс Л.М., Волльник Б., Нюрнберг П., Баас Ф. (сентябрь 2008 г.). «Мутации эндонуклеазы сплайсинга тРНК вызывают понтоцеребеллярную гипоплазию». Nat. Genet. 40 (9): 1113–8. DOI : 10.1038 / ng.204 . PMID 18711368 .