Самонаводящаяся эндонуклеаза
Эта статья может быть слишком технической для понимания большинства читателей . ( январь 2024 г. ) |
Самонаводящиеся эндонуклеазы представляют собой совокупность эндонуклеаз, кодируемых либо как автономные гены внутри интронов , либо как слитые с белками-хозяевами, либо как самосплайсинговые интеины . Они катализируют гидролиз геномной ДНК внутри клеток, которые их синтезируют, но делают это в очень немногих или даже единичных местах. Восстановление гидролизованной ДНК клеткой-хозяином часто приводит к тому, что ген, кодирующий хоминг-эндонуклеазу, копируется в сайт расщепления, отсюда и термин «хоминг» для описания движения этих генов. Таким образом, хоминг-эндонуклеазы могут передавать свои гены горизонтально внутри популяции хозяина, увеличивая частоту своих аллелей со скоростью, превышающей менделевскую скорость.
Происхождение и механизм
[ редактировать ]Хотя происхождение и функции хоминг-эндонуклеаз все еще исследуются, наиболее устоявшаяся гипотеза рассматривает их как эгоистичные генетические элементы . [ 1 ] похожи на транспозоны , поскольку они способствуют сохранению генетических элементов, которые их кодируют, независимо от предоставления функционального атрибута организму-хозяину.
Последовательности распознавания хоминг-эндонуклеазы достаточно длинные, чтобы происходить случайным образом только с очень низкой вероятностью (примерно один раз каждые 7 × 10 9 б.п. ), [ 2 ] и обычно встречаются в одном или очень небольшом количестве случаев на геном . Обычно из-за механизма самонаведения ген, кодирующий эндонуклеазу (HEG, «ген самонаводящейся эндонуклеазы»), располагается внутри последовательности узнавания, которую разрезает фермент, тем самым прерывая последовательность узнавания самонаводящейся эндонуклеазы и ограничивая разрезание ДНК только теми участками, которые (пока) не несете HEG.
До передачи один аллель несет ген (HEG + ), а другой нет (HEG − ), и поэтому подвержен расщеплению ферментом. Как только фермент синтезируется, он разрывает хромосому в HEG. − аллель, инициирующий ответ системы репарации клеточной ДНК . Повреждение восстанавливается с помощью рекомбинации , принимая образец противоположного, неповрежденного аллеля ДНК, HEG. + , содержащий ген эндонуклеазы. Таким образом, ген копируется в аллель, которая изначально его не имела, и размножается в последующих поколениях. [ 3 ] Этот процесс называется «домой». [ 3 ]
Номенклатура
[ редактировать ]Хоминг-эндонуклеазы всегда обозначаются префиксом, обозначающим их геномное происхождение, за которым следует дефис: «I-» для хоминг-эндонуклеаз, кодируемых в интроне, «PI-» (для «белковой вставки») для эндонуклеаз, кодируемых 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-» («гибрид») для ферментов, синтезированных в лаборатории. [ 5 ] Далее, трехбуквенное название получается из биноминального названия организма, включающего одну заглавную букву из названия рода и две строчные буквы из видового названия. (Некоторое смешивание обычно происходит для гибридных ферментов.) Наконец, римская цифра обозначает разные ферменты, обнаруженные в одном и том же организме:
- PI-TliII ( P30317 ) — второй идентифицированный фермент, кодируемый интеином, обнаруженным у архей Thermococcuslitoralis . [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ]
- H-DreI ( PDB : 1MOW ) — первая синтетическая хоминг-эндонуклеаза, созданная в лаборатории из ферментов I-DmoI ( P21505 ) и I-CreI ( P05725 ), взятых соответственно из Desulfurococcus mobilis и Chlamydomonasrainhardtii . [ 5 ] [ 9 ]
Сравнение с ферментами рестрикции
[ редактировать ]Хоминг-эндонуклеазы отличаются от ферментов рестрикции типа II в нескольких отношениях: [ 4 ]
- В то время как ферменты рестрикции типа II связываются с короткими, обычно симметричными последовательностями узнавания длиной от 4 до 8 п.о. , самонаводящиеся эндонуклеазы связывают очень длинные и во многих случаях асимметричные последовательности узнавания, охватывающие от 12 до 40 п.н.
- Хоминг-эндонуклеазы обычно более толерантны к заменам в последовательности узнавания. Незначительные изменения в последовательности узнавания обычно снижают активность хоминг-эндонуклеаз, но часто не отменяют ее полностью, как это часто происходит с ферментами рестрикции. [ 10 ] [ 11 ]
- Хоминг-эндонуклеазы имеют общие структурные мотивы , которые позволяют предположить, что существуют четыре семейства, тогда как не удалось определить просто узнаваемые и различимые семейства рестриктаз типа II.
- Хоминг-эндонуклеазы действуют как мономеры или гомодимеры и часто требуют ассоциированных белков для регулирования своей активности. [ 12 ] или образуют рибонуклеопротеиновые комплексы , где РНК является неотъемлемым компонентом каталитического аппарата. [ 13 ] Ферменты рестрикции типа II также могут функционировать отдельно, в виде мономеров или гомодимеров. [ 14 ] или с дополнительными белковыми субъединицами , [ 15 ] но дополнительные субъединицы отличаются от таковых у хоминговых эндонуклеаз. Таким образом, для их действия могут потребоваться субъединицы ограничения, модификации и специфичности. [ 15 ]
- Наконец, самонаводящиеся эндонуклеазы имеют более широкое филогенетическое распространение, встречаясь во всех трех биологических доменах — археях , бактериях и эукариях . Ферменты рестрикции II типа встречаются только у архей, бактерий и некоторых вирусов. [ 16 ] [ 17 ] [ 18 ] Хоминг-эндонуклеазы также экспрессируются во всех трех отделах эукариотической клетки: ядрах , митохондриях и хлоропластах . Открытые рамки считывания, кодирующие хоминговые эндонуклеазы, были обнаружены в интронах , интеинах и в отдельной форме между генами, тогда как гены, кодирующие гены рестриктаз типа II, были обнаружены только в отдельной форме, почти всегда в тесной ассоциации с генами, кодирующими родственные ферменты, модифицирующие ДНК. [ 19 ] Таким образом, хотя ферменты рестрикции типа II и хоминг-эндонуклеазы разделяют функцию расщепления двухцепочечной ДНК, они, по-видимому, эволюционировали независимо.
Структурные семьи
[ редактировать ]
|
Эндонуклеаза LAGLIDADG | |||
---|---|---|---|
Идентификаторы | |||
Символ | ЛАГЛИДАДГ_1 | ||
Пфам | PF00961 | ||
Пфам Клан | CL0324 | ||
ИнтерПро | ИПР001982 | ||
КАТ | 1af5 | ||
ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ 2 | 1af5 / SCOPe / СУПФАМ | ||
| |||
См. запись о клане для связанных семей Пфам. |
Эндонуклеаза GIY-YIG, каталитическая | |||
---|---|---|---|
Идентификаторы | |||
Символ | GIY-YIG | ||
Пфам | PF01541 | ||
ИнтерПро | IPR000305 | ||
PROSITE | PS50164 | ||
КАТ | 1мк0 | ||
ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ 2 | 1мк0 / СКОПе / СУПФАМ | ||
|
В настоящее время известно шесть структурных семейств. Их консервативные структурные мотивы : [ 4 ]
- ЛАГЛИДАДГ: Каждый полипептид имеет 1 или 2 мотива ЛАГЛИДАДГ. Последовательность LAGLIDADG представляет собой консервативную последовательность аминокислот , где каждая буква представляет собой код, идентифицирующий определенный остаток. Эта последовательность непосредственно участвует в процессе разрезания ДНК. Ферменты, имеющие только один мотив, действуют как гомодимеры, создавая седло, которое взаимодействует с основной бороздкой каждого полуучастка ДНК. Мотивы LAGLIDADG вносят аминокислотные остатки как в белок-белковый интерфейс между белковыми доменами или субъединицами, так и в активные центры фермента. Ферменты, обладающие двумя мотивами в одной белковой цепи, действуют как мономеры, аналогичным образом создавая седло. Первые структуры самонаводящихся эндонуклеаз (PI-SceI и I-CreI, о которых сообщалось в 1997 г.), которые были определены, обе принадлежали к структурному семейству LAGLIDADG. [ 20 ] [ 21 ] В следующем году также было сообщено о первой структуре самонаводящейся эндонуклеазы (I-CreI), связанной с целевым участком ДНК. [ 9 ]
- GIY-YIG: У них есть только один мотив GIY-YIG в N-концевой области, который взаимодействует с ДНК в сайте разрезания. Прототипическим ферментом этого семейства является I-TevI, который действует как мономер. Сообщалось об отдельных структурных исследованиях ДНК-связывающего и каталитического доменов I-TevI, первый из которых связан с ДНК-мишенью, а второй - в отсутствие ДНК. [ 22 ] [ 23 ]
- His-Cys-бокс ( Pfam PF05551 ): Эти ферменты обладают областью из 30 аминокислот, которая включает 5 консервативных остатков: два гистидина и три цистеина . Они координируют катионы металлов, необходимые для катализа. I-PpoI является наиболее изученным ферментом этого семейства и действует как гомодимер. О его структуре сообщалось в 1998 году. [ 24 ] Возможно, он связан с семейством HNH, поскольку они имеют общие черты. [ 25 ]
- HNH: ( Pfam CL0263 ): Они имеют консенсусную последовательность , состоящую примерно из 30 аминокислот. Он включает две пары консервативных гистидинов и один аспарагин , которые создают домен цинковых пальцев . I-HmuI ( P34081 ) является наиболее изученным ферментом этого семейства и действует как мономер. О его структуре сообщалось в 2004 году ( PDB : 1U3E ). [ 26 ]
- PD-(D/E)xK ( Pfam CL0236 ): Эти ферменты содержат канонический каталитический домен нуклеазы, обычно встречающийся в эндонуклеазах рестрикции типа II. Наиболее изученный фермент этого семейства, I-Ssp6803I ( Q57253 ), действует как тетрамер. Его структура была опубликована в 2007 году ( PDB : 2OST ). [ 27 ] Общая складка консервативна во многих семействах эндонуклеаз, все из которых принадлежат к суперсемейству PD-(D/E)xK. [ 28 ]
- Vsr-like/EDxHD (DUF559, InterPro : IPR007569 ): эти ферменты были обнаружены в метагеномной базе данных Global Ocean Sampling и впервые описаны в 2009 году. Термин «Vsr-подобный» относится к наличию C-концевого нуклеазного домена, который отображает узнаваемая гомология с бактериальными эндонуклеазами очень короткой патч-репарации (Vsr). [ 29 ] Структура была расшифрована в 2011 году, что подтвердило гомологию Vsr. [ 30 ] Считается частью суперсемейства PD-(D/E)xk. [ 28 ]
Доменная архитектура
[ редактировать ]Подсказка, связанная с Hom_end | |||
---|---|---|---|
Идентификаторы | |||
Символ | Home_end_hint | ||
Пфам | PF05203 | ||
Пфам Клан | CL0363 | ||
ИнтерПро | ИПР007868 | ||
ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ 2 | 1гпп / СКОПе / СУПФАМ | ||
| |||
Интеиновый мотив более крупного домена LAGLIDADG Hom_end. |
Дрожжевая самонаводящаяся эндонуклеаза PI-Sce представляет собой эндонуклеазу типа LAGLIDADG, кодируемую как интеин , который отделяется от другого белка ( P17255 ). Структура с высоким разрешением показывает два домена : эндонуклеолитический центр, напоминающий С-концевой домен белков Hedgehog , и домен Hint сплайсинга белка (Hedgehog/Intein), содержащий активный сайт . [ 31 ]
См. также
[ редактировать ]- REBASE , обширная база данных ферментов рестрикции от New England Biolabs со ссылками на соответствующую литературу.
- Список сайтов разрезания самонаводящейся эндонуклеазы
- Самонаводящаяся эндонуклеаза I-CreI
- Мегануклеазы
- Рестрикционный фермент
- Интроны и интеины
- Внутригеномный конфликт: самонаводящиеся гены эндонуклеазы
- Транспозон
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Эджелл Д.Р. (февраль 2009 г.). «Эгоистичная ДНК: самонаводящиеся эндонуклеазы находят дом» . Курр Биол . 19 (3): Р115–Р117. дои : 10.1016/j.cub.2008.12.019 . ПМИД 19211047 . S2CID 2380439 .
- ^ Джасин М. (июнь 1996 г.). «Генетические манипуляции геномесяцами с помощью редкорежущих эндонуклеаз» . Тенденции Жене . 12 (6): 224–8. дои : 10.1016/0168-9525(96)10019-6 . ПМИД 8928227 .
- ^ Jump up to: а б Берт А., Куфопану В. (декабрь 2004 г.). «Гены самонаводящейся эндонуклеазы: взлет, падение и снова подъем эгоистичного элемента». Curr Opin Genet Dev . 14 (6): 609–15. дои : 10.1016/j.где.2004.09.010 . ПМИД 15531154 .
- ^ Jump up to: а б с Белфорт М., Робертс Р.Дж. (сентябрь 1995 г.). «Хоминг-эндонуклеазы: наводим порядок в доме» . Нуклеиновые кислоты Рез . 25 (17): 3379–88. дои : 10.1093/нар/25.17.3379 . ПМК 146926 . ПМИД 9254693 .
- ^ Jump up to: а б Шевалье Б.С., Кортемме Т., Чедси М.С., Бейкер Д., Моннат Р.Дж., Стоддард Б.Л. (октябрь 2002 г.). «Дизайн, активность и структура высокоспецифичной искусственной эндонуклеазы» . Мол. Клетка . 10 (4): 895–905. дои : 10.1016/S1097-2765(02)00690-1 . ПМИД 12419232 .
- ^ Хирата Р., Осумк Ю., Накано А., Кавасаки Х., Сузуки К., Анраку Ю. (апрель 1990 г.). «Молекулярная структура гена VMA1, кодирующего каталитическую субъединицу H (+)-транслоцирующей аденозинтрифосфатазы из вакуолярных мембран Saccharomyces cerevisiae» . J Биол Хим . 265 (12): 6726–33. дои : 10.1016/S0021-9258(19)39210-5 . ПМИД 2139027 .
- ^ Кейн П.М., Ямаширо К.Т., Вольчик Д.Ф., Нефф Н., Гебл М., Стивенс Т.Х. (ноябрь 1990 г.). «Сплайсинг белка превращает продукт гена дрожжей TFP1 в субъединицу вакуолярной H (+)-аденозинтрифосфатазы массой 69 кДа». Наука . 250 (4981): 651–7. Бибкод : 1990Sci...250..651K . дои : 10.1126/science.2146742 . ПМИД 2146742 .
- ^ Перлер Ф.Б., Комб Д.Г., Джек В.Е., Моран Л.С., Цян Б., Кучера Р.Б., Беннер Дж., Слатко Б.Е., Нванкво Д.О., Хемпстед С.К., Карлоу К.К., Яннаш Х. (июнь 1992 г.). «Промежуточные последовательности в гене ДНК-полимеразы архей» . ПНАС . 89 (12): 5577–81. Бибкод : 1992PNAS...89.5577P . дои : 10.1073/pnas.89.12.5577 . ПМК 49335 . ПМИД 1608969 .
- ^ Jump up to: а б с Юрица М.С., Моннат Р.Дж., Стоддард Б.Л. (октябрь 1998 г.). «Распознавание и расщепление ДНК самонаводящейся эндонуклеазой LAGLIDADG I-CreI» (PDF) . Мол. Клетка . 2 (4): 469–76. дои : 10.1016/S1097-2765(00)80146-X . ПМИД 9809068 .
- ^ Гимбл Ф.С., Ван Дж (октябрь 1996 г.). «Распознавание субстрата и индуцированное искажение ДНК эндонуклеазой PI-SceI, ферментом, вырабатываемым в результате сплайсинга белков». Дж Мол Биол . 263 (2): 163–80. дои : 10.1006/jmbi.1996.0567 . ПМИД 8913299 .
- ^ Аргаст ГМ, Стивенс К.М., Эмонд М.Дж., Моннат Р.Дж. (июль 1998 г.). «Вырождение последовательностей сайтов самонаведения I-PpoI и I-CreI, определяемое случайным мутагенезом и последовательным обогащением in vitro». Дж Мол Биол . 280 (3): 345–53. дои : 10.1006/jmbi.1998.1886 . ПМИД 9665841 .
- ^ Сибата Т., Накагава К., Моришима Н. (1995). «Мультисайт-специфические эндонуклеазы и инициирование гомологичной генетической рекомбинации у дрожжей». Адв Биофиз . 31 : 77–91. дои : 10.1016/0065-227X(95)99384-2 . ПМИД 7625280 .
- ^ Циммерли С., Го Х., Эскес Р., Ян Дж., Перлман П.С., Ламбовиц А.М. (ноябрь 1995 г.). «Интронная РНК группы II является каталитическим компонентом ДНК-эндонуклеазы, участвующей в подвижности интрона» . Клетка . 83 (4): 529–38. дои : 10.1016/0092-8674(95)90092-6 . ПМИД 7585955 . S2CID 10456475 .
- ^ Линн, Стюарт М; Ллойд, Р. Стивен; Робертс, Ричард Дж (декабрь 1993 г.). Нуклеазы . Пресса Колд-Спринг-Харбор . стр. 35–88. ISBN 978-0-87969-426-5 .
- ^ Jump up to: а б Линн, Стюарт М; Ллойд, Р. Стивен; Робертс, Ричард Дж (декабрь 1993 г.). Нуклеазы . Пресса Колд-Спринг-Харбор . стр. 89–109. ISBN 978-0-87969-426-5 .
- ^ Робертс Р.Дж., Маселис Д. (январь 1997 г.). «REBASE-рестрикционные ферменты и метилазы» . Нуклеиновые кислоты Рез . 25 (1): 248–62. дои : 10.1093/нар/25.1.248 . ПМК 146408 . ПМИД 9016548 .
- ^ Ламбовиц А.М., Белфорт М. (1993). «Интроны как мобильные генетические элементы». Анну Рев Биохим . 62 : 587–622. дои : 10.1146/annurev.bi.62.070193.003103 . ПМИД 8352597 .
- ^ Линн, Стюарт М; Ллойд, Р. Стивен; Робертс, Ричард Дж. (декабрь 1993 г.). Нуклеазы . Пресса Колд-Спринг-Харбор . стр. 111–143. ISBN 978-0-87969-426-5 .
- ^ Уилсон Г.Г. (декабрь 1988 г.). «Клонированные системы ограничения-модификации - обзор». Джин . 74 (1): 281–9. дои : 10.1016/0378-1119(88)90304-6 . ПМИД 3074014 .
- ^ Хит, П.; и др. (июнь 1997 г.). «Структура I-Crel, самонаводящейся эндонуклеазы, кодируемой интроном группы I». Структурная биология природы . 4 (6): 468–476. дои : 10.1038/nsb0697-468 . ПМИД 9187655 . S2CID 12261983 .
- ^ Дуань, X. (май 1997 г.). «Кристаллическая структура PI-SceI, самонаводящейся эндонуклеазы с активностью сплайсинга белков» . Клетка . 89 (4): 555–564. дои : 10.1016/S0092-8674(00)80237-8 . ПМИД 9160747 . S2CID 14156646 .
- ^ Ван Рой, П.; Фокс, КМ; и др. (июль 2001 г.). «Переплетенная структура ДНК-связывающего домена интронной эндонуклеазы I-TevI с его субстратом» . ЭМБО Дж . 20 (14): 3631–3637. дои : 10.1093/emboj/20.14.3631 . ПМК 125541 . ПМИД 11447104 .
- ^ Ван Рой, П.; Ковальски, Джозеф К.; и др. (июль 2002 г.). «Каталитическая доменная структура и гипотеза функции интронной эндонуклеазы GIY-YIG I-TevI». Структурная биология природы . 9 (11): 806–811. дои : 10.1038/nsb853 . ПМИД 12379841 . S2CID 24856337 .
- ^ Флик, К.; и др. (июль 1998 г.). «Связывание и расщепление ДНК с помощью самонаводящейся эндонуклеазы I-PpoI, кодируемой ядерным интроном». Природа . 394 (6688): 96–101. Бибкод : 1998Natur.394...96F . дои : 10.1038/27952 . ПМИД 9665136 . S2CID 4427957 .
- ^ Хафез, М; Хауснер, Г. (август 2012 г.). «Наводящиеся эндонуклеазы: ножницы ДНК на миссии». Геном . 55 (8): 553–69. дои : 10.1139/g2012-049 . ПМИД 22891613 . S2CID 29183470 .
- ^ Шен, BW; и др. (сентябрь 2004 г.). «Связывание и расщепление ДНК самонаводящейся эндонуклеазой HNH I-HmuI». Дж. Мол. Биол . 342 (1): 43–56. дои : 10.1016/j.jmb.2004.07.032 . ПМИД 15313606 . S2CID 15990707 .
- ^ Чжао, Л.; и др. (май 2007 г.). «Складка рестрикции поворачивается на темную сторону: бактериальная самонаводящаяся эндонуклеаза с мотивом PD-(D/E)-XK» . Журнал ЭМБО . 26 (9): 2432–2442. дои : 10.1038/sj.emboj.7601672 . ПМК 1864971 . ПМИД 17410205 .
- ^ Jump up to: а б Стечкевич, К; Мушевская, А; Книжевский, Л; Рыхлевский, Л; Гинальски, К. (август 2012 г.). «Последовательность, структура и функциональное разнообразие суперсемейства фосфодиэстеразы PD-(D/E)XK» . Исследования нуклеиновых кислот . 40 (15): 7016–45. дои : 10.1093/nar/gks382 . ПМЦ 3424549 . ПМИД 22638584 .
- ^ Дасса, Б.; и др. (март 2009 г.). «Разрушенные гены: новое геномное устройство, включающее новые расщепленные интеины и новое семейство самонаводящихся эндонуклеаз» . Исследования нуклеиновых кислот . 37 (8): 2560–2573. дои : 10.1093/нар/gkp095 . ПМЦ 2677866 . ПМИД 19264795 .
- ^ Тейлор, ГК; Хейтер, Д.Ф.; Петроковский, С; Стоддард, Б.Л. (декабрь 2011 г.). «Активность, специфичность и структура I-Bth0305I: представителя нового семейства самонаводящихся эндонуклеаз» . Исследования нуклеиновых кислот . 39 (22): 9705–19. дои : 10.1093/nar/gkr669 . ПМК 3239194 . ПМИД 21890897 .
- ^ Мур СМ, Гимбл Ф.С., Киочо Ф.А. (октябрь 2002 г.). «Кристаллическая структура интеиновой эндонуклеазы PI-SceI, связанной с ее последовательностью распознавания». Нат. Структура. Биол . 9 (10): 764–70. дои : 10.1038/nsb840 . ПМИД 12219083 . S2CID 40192379 .
Внешние ссылки
[ редактировать ]- Перлер ФБ. «ИнБейс» . Архивировано из оригинала 2 августа 2010 г. Проверено 9 августа 2010 г.
База данных и реестр интеина (из биолабораторий Новой Англии)
- Перлер ФБ (январь 2002 г.). «InBase: база данных Интеина» . Нуклеиновые кислоты Рез . 30 (1): 383–4. дои : 10.1093/нар/30.1.383 . ПМК 99080 . ПМИД 11752343 .