Система модификации ограничений
Система рестрикционной модификации ( система RM ) обнаружена у бактерий и архей и обеспечивает защиту от чужеродной ДНК , например, переносимой бактериофагами .
У бактерий есть ферменты рестрикции , также называемые эндонуклеазами рестрикции , которые расщепляют двухцепочечную ДНК в определенных точках на фрагменты, которые затем далее расщепляются другими эндонуклеазами . Это предотвращает инфекцию, эффективно уничтожая чужеродную ДНК , введенную инфекционным агентом (например, бактериофагом ). Примерно четверть известных бактерий обладают системами RM, а из них около половины имеют более одного типа систем.
Поскольку последовательности, распознаваемые ферментами рестрикции, очень короткие, сама бактерия почти наверняка будет содержать некоторые из них в своем геноме. Чтобы предотвратить разрушение собственной ДНК ферментами рестрикции, метильные добавляют группы. Эти модификации не должны мешать спариванию оснований ДНК, и поэтому обычно в каждой цепи модифицируются только несколько конкретных оснований.
Эндонуклеазы расщепляют внутренние/неконцевые фосфодиэфирные связи. Они делают это только после распознавания определенных последовательностей в ДНК, которые обычно имеют длину 4–6 пар оснований и часто являются палиндромными .
История [ править ]
Система RM была впервые обнаружена Сальваторе Лурией и Мэри Хуман в 1952 и 1953 годах. [1] [2] Они обнаружили, что бактериофаг, растущий внутри инфицированной бактерии, может быть модифицирован так, что при его высвобождении и повторном заражении родственной бактерией рост бактериофага ограничивается (ингибируется; также описано Лурией в его автобиографии на страницах 45 и 99 в 1984 году). . [3] В 1953 году Жан Вейгл и Джузеппе Бертани сообщили об аналогичных примерах модификации, контролируемой хозяином, с использованием другой системы бактериофагов. [4] Более поздняя работа Дейзи Руллан-Дюсуа и Вернера Арбера в 1962 году. [5] и многие другие последующие исследователи привели к пониманию того, что ограничение происходит из-за атаки и разрушения ДНК модифицированного бактериофага специфическими ферментами бактерий-реципиентов. Дальнейшая работа Гамильтона О. Смита выделила Hin DII , первый из класса ферментов, ныне известных как ферменты рестрикции , а Дэниел Натанс показал, что его можно использовать для картирования рестрикции . [6] Когда эти ферменты были выделены в лаборатории, их можно было использовать для контролируемых манипуляций с ДНК, что послужило основой для развития генной инженерии . Вернер Арбер, Дэниел Натанс и Гамильтон Смит были удостоены Нобелевской премии по физиологии и медицине в 1978 году за работу по модификации ограничений. [ нужна ссылка ]
Типы [ править ]
Существует четыре категории систем модификации ограничений: тип I, тип II, тип III и тип IV. [7] Все они обладают активностью рестриктаз и метилазной активностью (за исключением типа IV, который не обладает метилазной активностью). Они были названы в порядке открытия, хотя система типа II является наиболее распространенной. [7]
Системы типа I являются наиболее сложными и состоят из трех полипептидов: R (рестрикция), M (модификация) и S (специфичность). Образующийся комплекс способен как расщеплять, так и метилировать ДНК. Обе реакции требуют АТФ, и расщепление часто происходит на значительном расстоянии от места узнавания. S-субъединица определяет специфичность как рестрикции, так и метилирования. Расщепление происходит на различных расстояниях от распознаваемой последовательности, поэтому дискретные полосы нелегко визуализировать с помощью гель-электрофореза . [ нужна ссылка ]
Системы типа II являются самыми простыми и наиболее распространенными. [8] Вместо того, чтобы работать как комплекс, метилтрансфераза и эндонуклеаза кодируются как два отдельных белка и действуют независимо (белка специфичности нет). Оба белка распознают один и тот же сайт узнавания и, следовательно, конкурируют за активность. Метилтрансфераза действует как мономер , метилируя дуплекс по одной цепи за раз. Эндонуклеаза действует как гомодимер , что облегчает расщепление обеих цепей. Расщепление происходит в определенном положении, близком к последовательности распознавания или внутри нее, что приводит к образованию дискретных фрагментов во время гель-электрофореза. По этой причине системы типа II используются в лабораториях для анализа ДНК и клонирования генов . [ нужна ссылка ]
Системы типа III имеют белки R (res) и M (mod), которые образуют комплекс модификации и расщепления. Однако белок М может метилироваться сам по себе. Метилирование также происходит только на одной цепи ДНК, в отличие от большинства других известных механизмов. Гетеродимер , образованный белками R и M, конкурирует сам с собой, модифицируя и ограничивая одну и ту же реакцию. Это приводит к неполному пищеварению. [9] [10]
Системы типа IV не являются истинными системами RM, поскольку они содержат только фермент рестрикции, а не метилазу. В отличие от других типов, ферменты рестрикции типа IV распознают и разрезают только модифицированную ДНК. [11]
Функция [ править ]
Neisseria meningitidis имеет несколько систем эндонуклеаз рестрикции II типа, которые используются в естественной генетической трансформации . Естественная генетическая трансформация — это процесс, посредством которого бактериальная клетка-реципиент может заимствовать ДНК соседней бактериальной клетки-донора и интегрировать эту ДНК в свой геном путем рекомбинации. Хотя ранние работы над системами рестрикционной модификации были сосредоточены на пользе бактерий от защиты от вторжения ДНК бактериофага или другой чужеродной ДНК, теперь известно, что эти системы также могут использоваться для ограничения ДНК, введенной в результате естественной трансформации из других его членов. или родственные виды. [ нужна ссылка ]
У патогенной бактерии Neisseria meningitidis (менингококки) способность к трансформации представляет собой высокоразвитый и сложный процесс, при котором множество белков на бактериальной поверхности, в мембранах и цитоплазме взаимодействуют с поступающей трансформирующей ДНК. Системы рестрикции-модификации широко распространены в роде Neisseria . N. meningitidis имеет несколько систем эндонуклеаз рестрикции II типа. [12] Системы рестрикционной модификации у N. meningitidis различаются по специфичности в разных кладах. [12] [13] Эта специфичность обеспечивает эффективный барьер против обмена ДНК между кладами. [12] Лурия на странице 99 своей автобиографии: [3] назвал такое ограничивающее поведение «крайним примером недружелюбия». Ограничение-модификация, по-видимому, является основным фактором половой изоляции и видообразования менингококков. [14] Каугант и Мейден [15] предположили, что системы ограничения-модификации менингококков могут способствовать генетическому обмену между очень близкими родственниками, одновременно уменьшая (но не полностью предотвращая) генетический обмен между менингококками, принадлежащими к различным клональным комплексам и родственным видам. [ нужна ссылка ]
Системы RM также могут действовать как эгоистичные генетические элементы , заставляя их сохраняться в клетке посредством постсегрегационного уничтожения клеток. [16]
Некоторые вирусы разработали способы разрушения системы модификации рестрикции, обычно путем модификации собственной ДНК путем добавления к ней метильных или гликозильных групп, блокируя таким образом ферменты рестрикции. Другие вирусы, такие как бактериофаги Т3 и Т7, кодируют белки, ингибирующие ферменты рестрикции. [ нужна ссылка ]
Чтобы противодействовать этим вирусам, некоторые бактерии развили системы рестрикции, которые распознают и расщепляют только модифицированную ДНК, но не действуют на немодифицированную ДНК хозяина. Некоторые прокариоты разработали несколько типов систем рестрикционной модификации. [ нужна ссылка ]
Системы RM более распространены у беспорядочных видов, при этом они устанавливают предпочтительные пути генетического обмена внутри и между линиями с родственными системами RM. [17] Поскольку репертуар и/или специфичность систем RM в бактериальных линиях быстро изменяются, ожидается, что предпочтительные потоки генетического переноса внутри вида будут постоянно меняться, создавая зависимые от времени сети переноса генов. [ нужна ссылка ]
Приложения [ править ]
биология Молекулярная
(а) Клонирование: системы RM можно клонировать в плазмиды и отбирать из-за устойчивости, обеспечиваемой ферментом метилирования. Как только плазмида начнет реплицироваться, будет вырабатываться фермент метилирования, который метилирует ДНК плазмиды, защищая ее от определенного фермента рестрикции. [ нужна ссылка ]
(b) Полиморфизмы длины рестрикционных фрагментов: рестрикционные ферменты также используются для анализа состава ДНК на предмет наличия или отсутствия мутаций, которые влияют на специфичность расщепления REase. Когда дикий тип и мутанты анализируются путем расщепления различными REазами, продукты гель-электрофореза различаются по длине, главным образом потому, что мутантные гены не будут расщепляться по той же схеме, что и дикий тип, из-за наличия мутаций, которые делают REases неспецифичными. к мутантной последовательности. [ нужна ссылка ]
Генная терапия [ править ]
Бактериальная система RM была предложена в качестве модели для разработки человеческих антивирусных генных или геномных вакцин и методов лечения, поскольку система RM выполняет врожденную защитную роль у бактерий, ограничивая тропизм бактериофагов. [18] Исследования REase и ZFN могут расщеплять ДНК различных вирусов человека, включая HSV-2 высокого риска , HPV и ВИЧ-1 , с конечной целью вызвать целевой мутагенез и аберрации вирусов, заражающих человека. [19] [20] [21] Геном человека уже содержит остатки ретровирусных геномов, которые были инактивированы и использованы для собственной выгоды. Действительно, механизмы подавления активных ретроэлементов генома L1 с помощью экзонуклеазы трех первичной репарации 1 (TREX1) и перекрестно-комплементирующей экзонуклеазы 1 эксцизионной репарации (ERCC), по-видимому, имитируют действие RM-систем у бактерий и негомологичного соединения концов ( NHEJ), который следует за использованием ZFN без шаблона восстановления. [22] [23]
Большим достижением является создание искусственных ферментов рестрикции, созданных путем связывания домена расщепления ДНК FokI с массивом ДНК-связывающих белков или массивов цинковых пальцев, называемых теперь нуклеазами цинковых пальцев (ZFN). [24] ZFN являются мощным инструментом для редактирования генома хозяина благодаря их повышенной специфичности последовательностей. ZFN работают парами, их димеризация осуществляется in situ через домен FoKI. Каждая матрица цинковых пальцев (ZFA) способна распознавать 9–12 пар оснований, что составляет 18–24 пары оснований. Спейсер размером 5–7 пар оснований между сайтами расщепления еще больше повышает специфичность ZFN, что делает их безопасным и более точным инструментом, который можно применять у людей. Недавно было проведено клиническое исследование I фазы ZFN для целенаправленной отмены корецептора CCR5 ВИЧ-1. [25]
Связь с мобильными генетическими элементами [ править ]
Системы RM играют важную роль в коэволюционном взаимодействии между мобильными генетическими элементами (МГЭ) и их хозяевами. [26] Сообщалось, что гены, кодирующие системы RM, перемещаются между геномами прокариот внутри MGE, такими как плазмиды, профаги, инсерционные последовательности/транспозоны, интегративные конъюгативные элементы (ICE) и интегроны. Однако недавно было обнаружено, что RM-систем относительно мало в плазмидах, немного в профагах и практически нет в фагах. С другой стороны, все эти MGE кодируют большое количество одиночных RM-генов, особенно MTases. [26] В свете этого вполне вероятно, что мобильность RM может быть менее зависима от MGE и более зависима, например, от существования небольших горячих точек геномной интеграции. Также возможно, что системы RM часто используют другие механизмы, такие как естественная трансформация, везикулы, нанотрубки, агенты переноса генов или генерализованная трансдукция, для перемещения между геномами. [ нужна ссылка ]
См. также [ править ]
Ссылки [ править ]
- ^ Лурия С.Е., Человек ML (1952). «Ненаследственная вариация бактериальных вирусов, вызванная хозяином» . Дж. Бактериол . 64 (4): 557–69. дои : 10.1128/JB.64.4.557-569.1952 . ПМК 169391 . ПМИД 12999684 .
- ^ Лурия С.Е. (1953). «Хозяин-индуцированные модификации вирусов». Холодный источник Харб. Симп. Квант. Биол . 18 : 237–44. дои : 10.1101/sqb.1953.018.01.034 . ПМИД 13168990 .
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б Сальватор Э Лурия. Игровой автомат, сломанная пробирка: автобиография. Harper & Row, Нью-Йорк: 1984. Стр. 228. ISBN 0-06-015260-5 (США и Канада)
- ^ БЕРТАНИ Дж., ВЕЙГЛЕ Дж. Дж. (1953). «Вариации бактериальных вирусов, контролируемые хозяином» . Дж. Бактериол . 65 (2): 113–21. дои : 10.1128/JB.65.2.113-121.1953 . ПМК 169650 . ПМИД 13034700 .
- ^ ДЮСУА Д., АРБЕР В. (1962). «Хозяинская специфичность ДНК, продуцируемой Escherichia coli. II. Контроль за принятием ДНК от заражения фага лямбда». Дж. Мол. Биол . 5 : 37–49. дои : 10.1016/S0022-2836(62)80059-X . ПМИД 13888713 .
- ^ Натанс Д., Смит Х.О. (1975). «Эндонуклеазы рестрикции в анализе и реструктуризации молекул ДНК». Анну. Преподобный Биохим . 44 : 273–93. дои : 10.1146/annurev.bi.44.070175.001421 . ПМИД 166604 .
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б Лоенен, Вашингтон; Драйден, DT; Роли, Э.А.; Уилсон, Г.Г.; Мюррей, штат Невада (январь 2014 г.). «Основные особенности резчиков ДНК: краткая история ферментов рестрикции» . Исследования нуклеиновых кислот . 42 (1): 3–19. дои : 10.1093/нар/gkt990 . hdl : 20.500.11820/4fce7b9e-56b0-49ff-9c76-8374775b976f . ПМЦ 3874209 . ПМИД 24141096 .
- ^ Родич, А; Благоевич, Б; Здобнов Е; Джорджевич, М; Джорджевич, М. (24 февраля 2017 г.). «Понимание ключевых особенностей бактериальных систем рестрикции-модификации посредством количественного моделирования» . Системная биология BMC . 11 (Приложение 1): 377. doi : 10.1186/s12918-016-0377-x . ПМЦ 5333194 . ПМИД 28466789 .
- ^ Уилсон Дж. (1991). «Организация систем ограничения-модификации» . Исследования нуклеиновых кислот . 19 (10): 2539–2566. дои : 10.1093/нар/19.10.2539 . ПМК 328170 . ПМИД 2041731 .
- ^ Уилсон Дж. (1991). «Системы ограничения и модификации». Ежегодный обзор генетики . 25 : 585–627. дои : 10.1146/annurev.ge.25.120191.003101 . ПМИД 1812816 .
- ^ Лоенен В.А. (2013). «Другая сторона ограничения: ферменты, зависимые от модификации» . Исследования нуклеиновых кислот . 42 (1): 56–69. дои : 10.1093/nar/gkt747 . ПМЦ 3874153 . ПМИД 23990325 .
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б с Будрони С., Сиена Э., Даннинг Хотопп Дж.К., Сейб К.Л., Серруто Д., Нофрони С., Командуччи М., Райли Д.Р., Догерти СК, Ангиуоли С.В., Коваччи А., Пицца М., Раппуоли Р., Моксон ЭР, Теттелин Х., Медини Д. (2011) ). «Neisseria meningitidis структурирована в клады, связанные с системами рестрикционной модификации, которые модулируют гомологичную рекомбинацию» . Учеб. Натл. акад. наук. США . 108 (11): 4494–9. Бибкод : 2011PNAS..108.4494B . дои : 10.1073/pnas.1019751108 . ПМК 3060241 . ПМИД 21368196 .
- ^ Клаус Х, Фридрих А, Фрош М, Фогель У (2000). «Дифференциальное распределение новых систем рестрикции-модификации в клональных линиях Neisseria meningitidis» . Дж. Бактериол . 182 (5): 1296–303. дои : 10.1128/jb.182.5.1296-1303.2000 . ПМК 94415 . ПМИД 10671450 .
- ^ Амбур Огайо, Фрай С.А., Нильсен М., Ховланд Э., Тоньюм Т. (2012). «Ограничения и изменения последовательности влияют на трансформацию, зависящую от последовательности поглощения ДНК, у Neisseria meningitidis» . ПЛОС ОДИН . 7 (7): e39742. Бибкод : 2012PLoSO...739742A . дои : 10.1371/journal.pone.0039742 . ПМК 3388099 . ПМИД 22768309 .
- ^ Каугант Д.А., Maiden MC (2009). «Менингококковое носительство и болезни – популяционная биология и эволюция» . Вакцина . 27 Приложение 2 (4): B64–70. doi : 10.1016/j.vaccine.2009.04.061 . ПМЦ 2719693 . ПМИД 19464092 .
- ^ Кусано К (1995). «Системы рестрикции-модификации как геномные паразиты в конкуренции за определенные последовательности» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 92 (24): 11095–11099. Бибкод : 1995PNAS...9211095K . дои : 10.1073/pnas.92.24.11095 . ПМК 40578 . ПМИД 7479944 .
- ^ Оливейра, Педро Х.; Тушон, Мари; Роша, Эдуардо ПК (17 мая 2016 г.). «Регуляция генетического потока между бактериями с помощью систем рестрикции-модификации» . Труды Национальной академии наук . 113 (20): 5658–5663. Бибкод : 2016PNAS..113.5658O . дои : 10.1073/pnas.1603257113 . ISSN 0027-8424 . ПМЦ 4878467 . ПМИД 27140615 .
- ^ Вайенгера М (2003). «ВИЧ и генная терапия: предлагаемая [ферментативная] модель генной терапии против ВИЧ». Макерере Мед Дж . 38 : 28–30.
- ^ Вайенгера М., Каджумбула Х., Бьяругаба В. (2007). «Частота и картирование сайтов расщепления последовательностей генов ВИЧ-1 / SIVcpz, ВИЧ-2 / SIVsmm и других SIV различными ферментами рестрикции бактерий: предшественники нового продукта, ингибирующего ВИЧ». Афр Дж. Биотехнологии . 6 (10): 1225–1232.
- ^ Шиффер Дж.Т., Оберт М., Вебер Н.Д., Минцер Э., Стоун Д., Джером КР (2012). «Направленный ДНК-мутагенез для лечения хронических вирусных инфекций» . Журнал вирусологии . 86 (17): 8920–36. дои : 10.1128/JVI.00052-12 . ПМЦ 3416169 . ПМИД 22718830 .
- ^ Манджунат Н., Йи Г, Данг Й, Шанкар П (2013). «Новые технологии редактирования генов для генной терапии ВИЧ» . Вирусы . 5 (11): 2748–66. дои : 10.3390/v5112748 . ПМЦ 3856413 . ПМИД 24284874 .
- ^ Стетсон Д.Б., Ко Дж.С., Хайдманн Т., Меджитов Р. (2008). «Trex1 предотвращает внутреннюю инициацию аутоиммунитета в клетках» . Клетка . 134 (4): 587–598. дои : 10.1016/j.cell.2008.06.032 . ПМК 2626626 . ПМИД 18724932 .
- ^ Гасиор С.Л., Рой-Энгель А.М., Дейнингер П.Л. (2008). «ERCC1/XPF ограничивает ретротранспозицию L1» . Восстановление ДНК . 7 (6): 983–989. дои : 10.1016/j.dnarep.2008.02.006 . ПМЦ 2483505 . ПМИД 18396111 .
- ^ Ким Ю.Г., Ча Дж., Чандрасегаран С. (февраль 1996 г.). «Гибридные ферменты рестрикции: слияние цинковых пальцев с доменом расщепления Fok I» . Учеб. Натл. акад. наук. США . 93 (3): 1156–60. Бибкод : 1996PNAS...93.1156K . дои : 10.1073/pnas.93.3.1156 . ПМК 40048 . ПМИД 8577732 .
- ^ Тебас П., Стейн Д., Тан В.В., Фрэнк И., Ван С.К., Ли Дж. и др. (2014). «Редактирование гена CCR5 в аутологичных CD4 Т-клетках людей, инфицированных ВИЧ» . N Engl J Med . 370 (10): 901–910. дои : 10.1056/NEJMoa1300662 . ПМК 4084652 . ПМИД 24597865 .
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б Оливейра, штат Пенсильвания; Тушон, М; Роча, EPC (2014). «Взаимодействие систем рестрикции-модификации с мобильными генетическими элементами и их прокариотическими хозяевами» . Нуклеиновые кислоты Рез . 42 (16): 10618–10631. дои : 10.1093/nar/gku734 . ПМЦ 4176335 . ПМИД 25120263 .