Мегануклеаза
Эта статья нуждается в дополнительных цитатах для проверки . ( январь 2013 г. ) |
Мегануклеазы представляют собой эндодезоксирибонуклеазы, характеризующиеся большим сайтом узнавания (двухцепочечные последовательности ДНК от 12 до 40 пар оснований); в результате этот сайт обычно встречается только один раз в любом данном геноме . Например, последовательность из 18 пар оснований, распознаваемая мегануклеазой I-SceI, в среднем потребует генома, в двадцать раз превышающего размер человеческого генома , чтобы быть обнаруженной один раз случайно (хотя последовательности с одним несоответствием встречаются примерно три раза на человека). размер генома). Мегануклеазы поэтому считаются наиболее специфическими встречающимися в природе ферментами рестрикции .
Среди мегануклеаз семейство самонаводящихся эндонуклеаз LAGLIDADG стало ценным инструментом для изучения геномов и геномной инженерии за последние пятнадцать лет. Мегануклеазы представляют собой «молекулярные ножницы ДНК », которые можно использовать для точечной замены, устранения или модификации последовательностей. Модифицируя их последовательность распознавания посредством белковой инженерии, можно изменить целевую последовательность. Мегануклеазы используются для модификации всех типов геномов: бактериальных, растительных или животных. Они открывают широкие возможности для инноваций, особенно в области здравоохранения человека, например, уничтожение вирусного генетического материала или «восстановление» поврежденных генов с помощью генной терапии.
Две основные семьи
[ редактировать ]Мегануклеазы обнаружены у большого количества организмов – архей или архебактерий, бактерий, фагов , грибов, дрожжей , водорослей и некоторых растений. Они могут экспрессироваться в разных отделах клетки – ядре , митохондриях или хлоропластах . несколько сотен таких ферментов Идентифицировано .
Мегануклеазы в основном представлены двумя основными семействами ферментов, известными под общим названием хоминг-эндонуклеазы: интронными эндонуклеазами и интеиновыми эндонуклеазами.
В природе эти белки кодируются мобильными генетическими элементами — интронами или интеинами . Интроны размножаются путем вмешательства в определенное место ДНК, где экспрессия мегануклеазы вызывает разрыв в комплементарной аллели , свободной от интрона или интеина . Для интеинов и интронов группы I этот разрыв приводит к дупликации интрона или интеина в месте разреза посредством гомологичной рекомбинационной репарации двухцепочечных разрывов ДНК.
Мы относительно мало знаем о фактическом назначении мегануклеаз. Широко распространено мнение, что генетический материал, кодирующий мегануклеазы, функционирует как паразитический элемент, который использует механизмы репарации клеток двухцепочечной ДНК в своих целях в качестве средства размножения и распространения, не повреждая генетический материал своего хозяина.
Хоминг-эндонуклеазы семейства LAGLIDADG.
[ редактировать ]Существует пять семейств или классов самонаводящихся эндонуклеаз. [ 1 ] Наиболее распространенным и известным является семейство ЛАГЛИДАДГ . Эндонуклеазы семейства LAGLIDADG преимущественно обнаруживаются в митохондриях и хлоропластах эукариотических одноклеточных организмов.
Название этого семейства соответствует аминокислотной последовательности (или мотиву), которая более или менее консервативна во всех белках этого семейства. Эти небольшие белки также известны своими компактными и плотно упакованными трехмерными структурами.
К наиболее охарактеризованным эндонуклеазам, наиболее широко используемым в исследованиях и геномной инженерии, относятся I-SceI (обнаруженный в митохондриях пекарских дрожжей Saccharomyces cerevisiae ), I-CreI (из хлоропластов зеленых водорослей Chlamydomonas Reinhardtii ) и I-DmoI (из хлоропластов зеленых водорослей Chlamydomonas Reinhardtii). архебактерия Desulfurococcus mobilis ).
Наиболее известные эндонуклеазы LAGLIDADG представляют собой гомодимеры (например, I-CreI, состоящие из двух копий одного и того же белкового домена) или внутренне симметричные мономеры (I-SceI). Сайт связывания ДНК, содержащий каталитический домен , состоит из двух частей по обе стороны от точки разреза. Сайты полусвязывания могут быть очень похожими и связываться с палиндромной или полупалиндромной последовательностью ДНК (I-CreI), или они могут быть непалиндромными (I-SceI).
Как инструменты генной инженерии
[ редактировать ]Высокая специфичность мегануклеаз обеспечивает им высокую степень точности и гораздо более низкую клеточную токсичность, чем другие природные ферменты рестрикции. Мегануклеазы были идентифицированы в 1990-х годах, и последующие работы показали, что они являются особенно многообещающими инструментами для геномной инженерии и редактирования генов , поскольку они способны эффективно индуцировать гомологичную рекомбинацию. [ 2 ] генерировать мутации, [ 3 ] и изменить рамки считывания. [ 4 ]
Однако возможности осуществления генетических рекомбинаций, индуцированных мегануклеазами, были ограничены репертуаром доступных мегануклеаз. Несмотря на существование сотен мегануклеаз в природе и тот факт, что каждая из них способна переносить незначительные изменения в своем сайте узнавания, вероятность найти мегануклеазу, способную разрезать данный ген в нужном месте, чрезвычайно мала. Несколько групп сосредоточили свое внимание на разработке новых мегануклеаз, которые будут нацелены на желаемые сайты узнавания.
Наиболее передовые исследования и применения касаются хоминг-эндонуклеаз семейства LAGLIDADG.
Для создания индивидуальных мегануклеаз были приняты два основных подхода:
- Модификация специфичности существующих мегануклеаз путем введения небольшого количества вариаций в аминокислотную последовательность и последующего выбора функциональных белков по вариациям естественного сайта узнавания. [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ]
- Более радикальный вариант заключался в использовании свойства, которое играет важную роль в естественно высокой степени диверсификации мегануклеаз: возможности ассоциации или слияния белковых доменов разных ферментов . [ 8 ] [ 9 ] Этот вариант позволяет разрабатывать химерные мегануклеазы с новым сайтом узнавания, состоящим из половины сайта мегануклеазы А и половины сайта белка B. Путем слияния белковых доменов I-DmoI и I-CreI две химерные мегануклеазы были созданы с использованием этого метода: E-Drel и DmoCre. [ 10 ]
Эти два подхода можно объединить, чтобы увеличить возможность создания новых ферментов, сохраняя при этом высокую степень эффективности и специфичности. Ученые из Cellectis работают над редактированием генов с 1999 года и разработали коллекцию из более чем 20 000 белковых доменов гомодимерной мегануклеазы I-CreI, а также каркасов других мегануклеаз. [ 11 ] Их можно комбинировать с образованием функциональных химерных гетеродимеров, специально разработанных для исследовательских лабораторий и промышленных целей.
Precision Biosciences, еще одна биотехнологическая компания, разработала полностью рациональный процесс проектирования под названием Directed Nuclease Editor (DNE), который способен создавать инженерные мегануклеазы, которые нацеливаются и изменяют определенное пользователем место в геноме. [ 12 ] В 2012 году исследователи из Bayer CropScience использовали DNE для включения последовательности генов в ДНК хлопчатника, направляя ее точно в заранее определенное место. [ 13 ]
Дополнительные приложения
[ редактировать ]Одним из недавних достижений в использовании мегануклеаз для геномной инженерии является включение ДНК-связывающего домена из эффекторов, подобных активаторам транскрипции (TAL), в гибридные нуклеазы. Эти «мегаTAL» сочетают в себе простоту разработки и высокую специфичность связывания ДНК эффектора TAL с высокой эффективностью расщепления мегануклеаз. [ 14 ] Кроме того, мегануклеазы были слиты с ферментами процессинга концов ДНК, чтобы способствовать подверженному ошибкам негомологическому соединению концов. [ 15 ] и увеличить частоту мутагенных событий в данном локусе. [ 16 ]
Вероятности
[ редактировать ]Как сказано во вступительном абзаце, мегануклеаза с последовательностью из 18 пар оснований в среднем потребует генома, в двадцать раз превышающего размер человеческого генома, чтобы ее можно было случайно обнаружить один раз; расчет равен 4 18 /3x10 9 = 22,9. Однако очень похожие последовательности встречаются гораздо чаще, причем чем быстрее частота увеличивается, тем больше допускается несовпадений.
Например, последовательность, идентичная во всех парах оснований, кроме одной, может случайно встречаться один раз каждые 4. 17 /18x3x10 9 = 0,32 эквивалента генома человека в среднем, или трижды на геном человека. Последовательность, идентичная во всех парах оснований, кроме двух, в среднем случайно встречается один раз в 4. 16 /(18C2)x3x10 9 = 0,0094 эквивалента генома человека, или 107 раз на геном человека.
Это важно, потому что ферменты не обладают идеальной дискриминацией; нуклеаза все равно будет иметь некоторую вероятность действовать, даже если последовательность не совпадает идеально. Таким образом, активность нуклеазы на последовательности с одним несовпадением меньше , чем в случае отсутствия несовпадения, а активность еще меньше для двух несовпадений, но все же не равна нулю. Исключение этих последовательностей, которые очень похожи, но не идентичны, по-прежнему остается важной проблемой, которую предстоит решить в геномной инженерии.
Другие соображения
[ редактировать ]Метилирование ДНК и структура хроматина влияют на эффективность расщепления мегануклеазой. [ 17 ] [ 18 ] Поэтому для практического применения этих ферментов необходимо тщательное рассмотрение генетического и эпигенетического контекста целевой последовательности.
В декабре 2014 года USPTO выдало патент № 8 921 332, посвященный редактированию генома на основе мегануклеазы in vitro. [ 19 ] Лицензия на этот патент была предоставлена исключительно компании Cellectis. [ 20 ]
См. также
[ редактировать ]- Самонаводящаяся эндонуклеаза
- гомологичная рекомбинация
- Я-КреИ
- Белковая инженерия
- Белковый дизайн
- Редактирование генома с помощью инженерных нуклеаз
- Геномная инженерия
- Генная инженерия
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Стоддард, Барри Л. (2006). «Структура и функция самонаводящейся эндонуклеазы». Ежеквартальные обзоры биофизики . 38 (1): 49–95. дои : 10.1017/S0033583505004063 . ПМИД 16336743 . S2CID 27841011 .
- ^ Эпинат, Жан-Шарль; Арну, Сильвен; Чеймс, Патрик; Роше, Паскаль; Дефонтен, Доминик; Пузин, Клеманс; Патен, Амели; Зангеллини, Александр; Пасха, Фредерик (1 июня 2003 г.). «Новая сконструированная мегануклеаза индуцирует гомологичную рекомбинацию в клетках дрожжей и млекопитающих» . Исследования нуклеиновых кислот . 31 (11): 2952–2962. дои : 10.1093/нар/gkg375 . ISSN 1362-4962 . ПМК 156710 . ПМИД 12771221 .
- ^ Арну, Сильвен; Перес, Кристоф; Кабаньолс, Жан-Пьер; Смит, Джулианна; Губль, Аньес; Гризо, Сильвестр; Эпинат, Жан-Шарль; Дюклерт, Эмерик; Дюшато, Филипп (3 августа 2007 г.). «Сконструированные производные I-CreI, расщепляющие последовательности гена XPC человека, могут вызывать высокоэффективную коррекцию генов в клетках млекопитающих». Журнал молекулярной биологии . 371 (1): 49–65. дои : 10.1016/j.jmb.2007.04.079 . ISSN 0022-2836 . ПМИД 17561112 .
- ^ Чапделейн, П.; Пичавант, К.; Руссо, Дж.; Пакес, Ф.; Трамбле, Япония (01 июля 2010 г.). «Мегануклеазы могут восстановить рамку считывания мутировавшего дистрофина» . Генная терапия . 17 (7): 846–858. дои : 10.1038/gt.2010.26 . ISSN 1476-5462 . ПМИД 20393509 .
- ^ Селигман, Луизиана ; Чисхолм, КМ; Шевалье, бакалавр наук; Чедси, Миссисипи; Эдвардс, Северная Каролина; Сэвидж, Дж. Х.; Вейе, Алабама (2002). «Мутации, изменяющие специфичность расщепления самонаводящейся эндонуклеазы» . Исследования нуклеиновых кислот . 30 (17): 3870–9. дои : 10.1093/nar/gkf495 . ПМЦ 137417 . ПМИД 12202772 .
- ^ Сассман, Джанго; Чедси, Мэг; Фаус, Стив; Энгель, Алекс; Брютт, Анна; Моннат, Рэй; Стоддард, Барри Л.; Селигман, Ленни М. (2004). «Выделение и характеристика новых особенностей самонаводящейся эндонуклеазы в отдельных положениях целевого сайта». Журнал молекулярной биологии . 342 (1): 31–41. дои : 10.1016/j.jmb.2004.07.031 . ПМИД 15313605 .
- ^ Розен, Ле; Моррисон, штат Ха; Масри, С.; Браун, MJ; Спрингстабб, Б.; Сассман, Д.; Стоддард, БЛ; Селигман, LM (2006). «Производные самонаводящейся эндонуклеазы I-CreI с новыми целевыми специфичностями ДНК» . Исследования нуклеиновых кислот . 34 (17): 4791–800. дои : 10.1093/нар/gkl645 . ПМЦ 1635285 . ПМИД 16971456 .
- ^ Арну, Сильвен; Чеймс, Патрик; Перес, Кристоф; Лакруа, Эммануэль; Дюклерт, Эмерик; Эпинат, Жан-Шарль; Стричер, Франсуа; Пети, Анн-Софи; Патен, Амели (2006). «Разработка большого количества высокоспецифичных самонаводящихся эндонуклеаз, которые вызывают рекомбинацию на новых мишенях ДНК». Журнал молекулярной биологии . 355 (3): 443–58. дои : 10.1016/j.jmb.2005.10.065 . ПМИД 16310802 .
- ^ Смит, Дж.; Гризо, С.; Арнульд, С.; Дуклерт, А.; Эпинат, Ж.-К.; Чеймс, П.; Прието, Дж.; Редондо, П.; Бланко, Ф.Дж. (2006). «Комбинаторный подход к созданию искусственных хоминг-эндонуклеаз, расщепляющих выбранные последовательности» . Исследования нуклеиновых кислот . 34 (22): е149. дои : 10.1093/nar/gkl720 . ПМК 1702487 . ПМИД 17130168 .
- ^ Шевалье, Бретт С.; Кортемме, Таня ; Чедси, Мегген С.; Бейкер, Дэвид; Моннат, Раймонд Дж.; Стоддард, Барри Л. (2002). «Дизайн, активность и структура высокоспецифичной искусственной эндонуклеазы» . Молекулярная клетка . 10 (4): 895–905. дои : 10.1016/S1097-2765(02)00690-1 . ПМИД 12419232 .
- ^ Гризо, С.; Эпинат, JC; Томас, С.; Дуклерт, А.; Роллан, С.; Пакес, Ф.; Дюшато, П. (2009). «Поколение модифицированных самонаводящихся эндонуклеаз, содержащих ДНК-связывающие домены, полученные из двух разных каркасов» . Исследования нуклеиновых кислот . 38 (6): 2006–18. дои : 10.1093/nar/gkp1171 . ПМЦ 2847234 . ПМИД 20026587 .
- ^ Гао, Хуйжун; Смит, Джефф; Ян, Мэйчжу; Джонс, Спенсер; Джуканович, Весна; Николсон, Майкл Г.; Запад, Анд; Бидни, Деннис; Фалько, С. Карл (2010). «Наследственный целевой мутагенез кукурузы с использованием разработанной эндонуклеазы» . Заводской журнал . 61 (1): 176–87. дои : 10.1111/j.1365-313X.2009.04041.x . ПМИД 19811621 .
- ^ http://www.research.bayer.com/en/straight-into-the-cotton-genome.aspx [ нужна полная цитата ]
- ^ Буассель, Сандрин; Джарджур, Иордания; Астрахан, Александр; Ади, Эндрю; Губль, Аньес; Дюшато, Филипп; Шендюр, Джей; Стоддард, Барри Л.; Черто, Майкл Т. (01 февраля 2014 г.). «megaTALs: архитектура нуклеаз редкого расщепления для терапевтической геномной инженерии» . Исследования нуклеиновых кислот . 42 (4): 2591–2601. дои : 10.1093/нар/gkt1224 . ISSN 1362-4962 . ПМЦ 3936731 . ПМИД 24285304 .
- ^ Черто, Майкл Т; Гвязда, Камила С; Кухар, Райан; Сатер, Блайт; Куринга, Габриэль; Мандт, Тайлер; Бро, Мишель; Ламберт, Эбигейл Р.; Бакстер, Сара К. (1 октября 2012 г.). «Связывание эндонуклеаз с ферментами процессинга концов ДНК для разрушения генов» . Природные методы . 9 (10): 973–975. дои : 10.1038/nmeth.2177 . ISSN 1548-7091 . ПМК 3602999 . ПМИД 22941364 .
- ^ Делакот, Фабьен; Перес, Кристоф; Гайо, Валери; Дюамель, Марианна; Рошон, Кристель; Оливье, Натали; Макмастер, Рэйчел; Сильва, Джордж Х.; Пасха, Фредерик (01 января 2013 г.). «Высокочастотный целевой мутагенез с использованием сконструированных эндонуклеаз и ферментов, обрабатывающих концы ДНК» . ПЛОС ОДИН . 8 (1): e53217. Бибкод : 2013PLoSO...853217D . дои : 10.1371/journal.pone.0053217 . ISSN 1932-6203 . ПМЦ 3554739 . ПМИД 23359797 .
- ^ Валтон, Жюльен; Дабусси, Файза; Ледюк, Софи; Молина, Рафаэль; Редондо, Пилар; Макмастер, Рэйчел; Монтойя, Гильермо; Дюшато, Филипп (31 августа 2012 г.). «Метилирование 5'-цитозин-фосфогуанина (CpG) влияет на активность природных и сконструированных мегануклеаз» . Журнал биологической химии . 287 (36): 30139–30150. дои : 10.1074/jbc.M112.379966 . ISSN 0021-9258 . ПМЦ 3436367 . ПМИД 22740697 .
- ^ Дабусси, Файза; Заславский Михаил; Пуаро, Лоран; Лоперфидо, Мариана; Губль, Аньес; Гайо, Валери; Ледюк, Софи; Галетто, Роман; Гризо, Сильвестр (29 марта 2012 г.). «Хромосомный контекст и эпигенетические механизмы контролируют эффективность редактирования генома с помощью редко встречающихся дизайнерских эндонуклеаз» . Исследования нуклеиновых кислот . 40 (13): 6367–6379. дои : 10.1093/nar/gks268 . ISSN 0305-1048 . ПМК 3401453 . ПМИД 22467209 .
- ^ «Патент США на хромосомную модификацию, включающую индукцию двухцепочечного расщепления ДНК и гомологичную рекомбинацию в сайте расщепления. Патент (Патент № 8,921,332, выданный 30 декабря 2014 г.) — Justia Patents Search» . патенты.justia.com . Проверено 19 февраля 2016 г.
- ^ «Cellectis объявляет о выдаче USPTO патента, охватывающего метод «редактирования гена», основанный на семенных нуклеазах | cellectis» . www.cellectis.com . Архивировано из оригинала 02 марта 2016 г. Проверено 19 февраля 2016 г.