Самонаводящаяся эндонуклеаза - Homing endonuclease

Кристаллическая структура I-CreI связан с его ДНК последовательность распознавания. В фермент связывается как гомодимер; одна субъединица изображена желтым цветом, другая - розовым. Фермент показан на поверхности; Молекула ДНК представлена ​​в виде набора сфер, каждая из которых окрашена в соответствии со своим химический элемент.

В самонаводящиеся эндонуклеазы представляют собой собрание эндонуклеазы закодировано как отдельно стоящее гены в пределах интроны, как слияние с белками хозяина, или как самосплайсинг интеины. Они катализируют гидролиз геномных ДНК внутри клеток, которые их синтезируют, но делают это в очень немногих или даже в отдельных местах. Ремонт гидролизованной ДНК клеткой-хозяином часто приводит к тому, что ген, кодирующий самонаводящуюся эндонуклеазу, копируется в сайт расщепления, отсюда и термин «хоминг» для описания движения этих генов. Таким образом, самонаводящиеся эндонуклеазы могут передавать свои гены. горизонтально в популяции хозяина, увеличивая их аллель частота выше менделевских.

Происхождение и механизм

Хотя происхождение и функция самонаводящихся эндонуклеаз все еще исследуются, наиболее устоявшаяся гипотеза рассматривает их как эгоистичные генетические элементы,[1] похожий на транспозоны, потому что они способствуют сохранению генетических элементов, которые их кодируют, независимо от предоставления функционального атрибута организму-хозяину.

Последовательности распознавания самонаводящейся эндонуклеазы достаточно длинные, чтобы происходить случайным образом только с очень низкой вероятностью (примерно один раз в 7×109 бп),[2] и обычно встречаются в одном или нескольких экземплярах на геном. Как правило, благодаря механизму самонастройки ген, кодирующий эндонуклеазу (HEG, «ген самонаводящейся эндонуклеазы»), находится в последовательности узнавания, которую расщепляет фермент, тем самым прерывая последовательность узнавания самонаводящейся эндонуклеазы и ограничивая разрезание ДНК только сайтами, которые не (пока) несут HEG.

Перед передачей один аллель несет ген (HEG+), а другой - нет (HEG−), и поэтому он подвержен разрезанию ферментом. Как только фермент синтезируется, он разрушает хромосому в HEG.− аллель, инициирующий ответ клеточного Ремонт ДНК система. Повреждение устранено с помощью рекомбинация, взяв образец противоположного неповрежденного аллеля ДНК, HEG+, содержащий ген эндонуклеазы. Таким образом, ген копируется на аллель, у которого его изначально не было, и передается из поколения в поколение.[3] Этот процесс называется «самонаведение».[3]

Номенклатура

Самонаводящиеся эндонуклеазы всегда обозначаются префиксом, который определяет их геномное происхождение, за которым следует дефис: «I-» для самонаводящихся эндонуклеаз, кодируемых внутри интрона, «PI-» (для «белковая вставка») для тех, которые кодируются внутри интеина. Некоторые авторы предложили использовать префикс «F-» («автономный») для вирусных ферментов и других природных ферментов, не кодируемых интронами или интеинами.[4] и «H-» («гибрид») для ферментов, синтезированных в лаборатории.[5] Затем трехбуквенное имя происходит от биноминальное имя организма, взяв одну заглавную букву из род имя и две строчные буквы из конкретный имя. (Некоторое смешивание обычно выполняется для гибридных ферментов.) Наконец, римская цифра обозначает разные ферменты, обнаруженные в одном организме:

Сравнение с рестрикционными ферментами

Самонаводящиеся эндонуклеазы отличаются от Ферменты рестрикции типа II в нескольких отношениях:[4]

  • В то время как ферменты рестрикции типа II связываются коротко, обычно симметрично, последовательности распознавания от 4 до 8бп, хоминг-эндонуклеазы связываются очень длинными и во многих случаях асимметричными последовательностями узнавания, охватывающими от 12 до 40 п.н.
  • Самонаводящиеся эндонуклеазы обычно более устойчивы к заменам в последовательности узнавания. Незначительные вариации в последовательности узнавания обычно снижают активность хоминг-эндонуклеаз, но часто не отменяют ее полностью, как это часто происходит с рестрикционными ферментами.[10][11]
  • Доля самонаводящихся эндонуклеаз структурные мотивы Это позволяет предположить, что существует четыре семейства, в то время как невозможно определить просто узнаваемые и различимые семейства рестрикционных ферментов типа II.
  • Самонаводящиеся эндонуклеазы действуют как мономеры или гомодимеры, и часто требуются связанные белки для регулирования их активности[12] или форма рибонуклеопротеидные комплексы, в которой РНК является неотъемлемой частью каталитического аппарата.[13] Ферменты рестрикции типа II могут также функционировать отдельно, как мономеры или гомодимеры,[14] или с дополнительными белковые субъединицы,[15] но вспомогательные субъединицы отличаются от субъединиц самонаводящихся эндонуклеаз. Таким образом, для их действия могут потребоваться субъединицы ограничения, модификации и специфичности.[15]
  • Наконец, самонаводящиеся эндонуклеазы имеют более широкий филогенетический распространение, встречающееся во всех трех биологические домены - археи, бактерии и эукария. Ферменты рестрикции типа II встречаются только у архей, бактерий и некоторых вирусов.[16][17][18] Самонаводящиеся эндонуклеазы также экспрессируются во всех трех отсеки эукариотической клетки: ядра, митохондрии и хлоропласты. Открытые рамки считывания, кодирующие самонаводящиеся эндонуклеазы, были обнаружены в интроны, интеины и в автономной форме между генами, тогда как гены, кодирующие гены рестрикционных ферментов типа II, были обнаружены только в автономной форме, почти всегда в тесной ассоциации с генами, кодирующими родственные ДНК-модифицирующие ферменты.[19] Таким образом, хотя рестрикционные ферменты типа II и хоминг-эндонуклеазы разделяют функцию расщепления двухцепочечной ДНК, они, по-видимому, эволюционировали независимо.

Структурные семьи

А
Димер I-CreI 1.png
B
I-CreI dimer DNA.png


C
Димер I-CreI ДНК 2.png
Димер I-CreI самонаводящаяся эндонуклеаза.[9] Альфа-спирали показаны зеленым цветом и бета-листы в синем. А: Две маленькие розовые сферы в центре структуры - это два катиона металла, необходимые для катализа. На структуре изображено седло, которое создают бета-цепи для размещения ДНК. Эти нити содержат мотивы LAGLIDADG, которые взаимодействуют с Малая бороздка ДНК. B & C: Атомы ДНК показаны в виде сфер, окрашенных в соответствии с химический элемент.
Эндонуклеаза LAGLIDADG
Идентификаторы
СимволLAGLIDADG_1
PfamPF00961
Pfam кланCL0324
ИнтерПроIPR001982
CATH1af5
SCOP21af5 / Объем / СУПФАМ
См. Запись в клане для получения информации о родственных семьях Pfam.
Эндонуклеаза GIY-YIG, каталитическая
Идентификаторы
СимволГИЙ-ЙИГ
PfamPF01541
ИнтерПроIPR000305
PROSITEPS50164
CATH1мк0
SCOP21мк0 / Объем / СУПФАМ

В настоящее время известно шесть структурных семейств. Их законсервированные структурные мотивы находятся:[4]

  • LAGLIDADG: Каждый полипептид имеет 1 или 2 мотива LAGLIDADG. Последовательность LAGLIDADG представляет собой консервативную последовательность аминокислоты где каждая буква - это код, обозначающий конкретный остаток. Эта последовательность непосредственно участвует в процессе разрезания ДНК. Те ферменты, у которых есть только один мотив, работают как гомодимеры, создавая седло, которое взаимодействует с большая канавка каждого полусайта ДНК. Мотивы LAGLIDADG вносят аминокислотные остатки как в интерфейс белок-белок между доменами или субъединицами белков, так и в активные центры фермента. Ферменты, которые имеют два мотива в одной цепи белка, действуют как мономеры, создавая седло аналогичным образом. Первые структуры, которые должны были быть определены для самонаводящихся эндонуклеаз (PI-SceI и I-CreI, о которых сообщалось в 1997 году), обе принадлежали к структурному семейству LAGLIDADG.,[20][21] В следующем году также было сообщено о первой структуре самонаводящейся эндонуклеазы (I-CreI), связанной с ее целевым участком ДНК.[9]
  • ГИЙ-ЙИГ: У них есть только один мотив GIY-YIG, в N-концевой область, которая взаимодействует с ДНК в месте разреза. Фермент-прототип этого семейства - I-TevI, который действует как мономер. Сообщалось об отдельных структурных исследованиях ДНК-связывающих и каталитических доменов I-TevI, первый из которых связан с его ДНК-мишенью, а второй - в отсутствие ДНК.[22][23]
  • Коробка His-Cys (Pfam PF05551 ): Эти ферменты содержат область из 30 аминокислот, которая включает 5 консервативных остатков: два гистидины и три цистеины. Oни координировать катион металла, необходимый для катализа. I-PpoI - это наиболее охарактеризованный фермент этого семейства, который действует как гомодимер. О его структуре сообщалось в 1998 году.[24] Возможно, это связано с семейством H-N-H, поскольку они имеют общие черты.[25]
  • Ч-Н-Н: (Pfam CL0263 ): У них есть консенсусная последовательность примерно 30 аминокислот. Он включает две пары сохраненных гистидины и один аспарагин которые создают цинковый палец домен. I-HmuI (P34081) является наиболее хорошо охарактеризованным ферментом этого семейства и действует как мономер. О его структуре сообщалось в 2004 г. (PDB: 1U3E​).[26]
  • ПД- (D / E) xK (Pfam CL0236 ): Эти ферменты содержат каталитический домен канонической нуклеазы, обычно обнаруживаемый в эндонуклеазах рестрикции II типа. Наиболее охарактеризованный фермент в этом семействе, I-Ssp6803I (Q57253), действует как тетрамер. О его структуре сообщалось в 2007 г. (PDB: 2OST​).[27] Общая складка консервативна во многих семействах эндонуклеаз, все из которых принадлежат к суперсемейству PD- (D / E) xK.[28]
  • Vsr-подобный / EDxHD (DUF559, ИнтерПро: IPR007569 ): Эти ферменты были обнаружены в Глобальной базе данных метагеномных проб океана и впервые описаны в 2009 году. Термин «Vsr-подобный» относится к присутствию С-концевого нуклеазного домена, который демонстрирует узнаваемую гомологию с бактериальным Очень короткий патч-ремонт (Vsr) эндонуклеазы.[29] Структура была решена в 2011 году, что подтвердило гомологию Vsr.[30] Считается частью суперсемейства PD- (D / E) xk.[28]

Доменная архитектура

Подсказка, связанная с Hom_end
PDB 1ef0 EBI.jpg
кристаллическая структура минипредшественника пи-скеи
Идентификаторы
СимволHom_end_hint
PfamPF05203
Pfam кланCL0363
ИнтерПроIPR007868
SCOP21gpp / Объем / СУПФАМ
Интеин мотив более крупного домена LAGLIDADG Hom_end.

Дрожжевая хоминг-эндонуклеаза PI-Sce представляет собой эндонуклеазу типа LAGLIDADG, кодируемую как интеин который вырастает из другого белка (P17255). Структура с высоким разрешением показывает два домены: эндонуклеолитический центр, напоминающий C-терминал домен Белки ежа, а Подсказка домена (Hedgehog / Intein) получение белка-сплайсинга активный сайт.[31]

Смотрите также

использованная литература

  1. ^ Эджелл Д.Р. (февраль 2009 г.). «Эгоистичная ДНК: самонаводящиеся эндонуклеазы находят дом». Curr Biol. 19 (3): R115 – R117. Дои:10.1016 / j.cub.2008.12.019. PMID  19211047. S2CID  2380439.
  2. ^ Jasin M (июнь 1996 г.). «Генетическая манипуляция геномонта эндонуклеазами редкой резки». Тенденции Genet. 12 (6): 224–8. Дои:10.1016/0168-9525(96)10019-6. PMID  8928227.
  3. ^ а б Берт А., Куфопану В. (декабрь 2004 г.). «Самонаводящиеся гены эндонуклеаз: взлет и падение, и снова подъем эгоистичного элемента». Curr Opin Genet Dev. 14 (6): 609–15. Дои:10.1016 / j.gde.2004.09.010. PMID  15531154.
  4. ^ а б c Белфорт М., Робертс Р. Дж. (Сентябрь 1995 г.). «Самонаводящиеся эндонуклеазы: наведение порядка в доме». Нуклеиновые кислоты Res. 25 (17): 3379–88. Дои:10.1093 / nar / 25.17.3379. ЧВК  146926. PMID  9254693.
  5. ^ а б Chevalier BS, Kortemme T, Chadsey MS, Baker D, Monnat RJ, Stoddard BL (октябрь 2002 г.). «Дизайн, активность и структура высокоспецифической искусственной эндонуклеазы». Мол. Ячейка. 10 (4): 895–905. Дои:10.1016 / S1097-2765 (02) 00690-1. PMID  12419232.
  6. ^ Хирата Р., Осумк Й., Накано А., Кавасаки Х., Сузуки К., Анраку Ю. (апрель 1990 г.). «Молекулярная структура гена VMA1, кодирующего каталитическую субъединицу H (+) - транслокации аденозинтрифосфатазы из вакуолярных мембран Saccharomyces cerevisiae». J Biol Chem. 265 (12): 6726–33. PMID  2139027.
  7. ^ Кейн PM, Ямаширо CT, Wolczyk DF, Neff N, Goebl M, Stevens TH (ноябрь 1990). «Белковый сплайсинг превращает дрожжевой продукт гена TFP1 в 69-кДа субъединицу вакуолярной H (+) - аденозинтрифосфатазы». Наука. 250 (4981): 651–7. Bibcode:1990Sci ... 250..651K. Дои:10.1126 / science.2146742. PMID  2146742.
  8. ^ Perler FB, Comb DG, Jack WE, Moran LS, Qiang B, Kucera RB, Benner J, Slatko BE, Nwankwo DO, Hempstead SK, Carlow CK, Jannasch H (июнь 1992 г.). «Промежуточные последовательности в гене ДНК-полимеразы архей». PNAS. 89 (12): 5577–81. Bibcode:1992ПНАС ... 89.5577П. Дои:10.1073 / пнас.89.12.5577. ЧВК  49335. PMID  1608969.
  9. ^ а б c Юрица М.С., Моннат Р.Дж., Стоддард Б.Л. (октябрь 1998 г.). «Распознавание и расщепление ДНК эндонуклеазой LAGLIDADG самонаводящейся I-CreI» (PDF). Мол. Ячейка. 2 (4): 469–76. Дои:10.1016 / S1097-2765 (00) 80146-X. PMID  9809068.
  10. ^ Гимбл Ф.С., Ван Дж. (Октябрь 1996 г.). «Распознавание субстрата и индуцированное искажение ДНК эндонуклеазой PI-SceI, ферментом, генерируемым сплайсингом белков». Дж Мол Биол. 263 (2): 163–80. Дои:10.1006 / jmbi.1996.0567. PMID  8913299.
  11. ^ Аргаст Г.М., Стивенс К.М., Эмонд М.Дж., Моннат Р.Дж. (июль 1998 г.). «Вырожденность последовательности сайтов самонаведения I-PpoI и I-CreI, определяемая случайным мутагенезом и последовательным обогащением in vitro». Дж Мол Биол. 280 (3): 345–53. Дои:10.1006 / jmbi.1998.1886. PMID  9665841.
  12. ^ Сибата Т., Накагава К., Моришима Н. (1995). «Мультисайтовые эндонуклеазы и инициация гомологичной генетической рекомбинации в дрожжах». Adv Biophys. 31: 77–91. Дои:10.1016 / 0065-227X (95) 99384-2. PMID  7625280.
  13. ^ Циммерли С., Го Х., Эскес Р., Ян Дж., Перлман П.С., Ламбовиц А.М. (ноябрь 1995 г.). «РНК интрона группы II является каталитическим компонентом эндонуклеазы ДНК, участвующей в подвижности интронов». Ячейка. 83 (4): 529–38. Дои:10.1016/0092-8674(95)90092-6. PMID  7585955. S2CID  10456475.
  14. ^ Линн, Стюарт М; Ллойд, Р. Стивен; Робертс, Ричард Дж (декабрь 1993 г.). Нуклеазы. Cold Spring Harbor Press. С. 35–88. ISBN  978-0-87969-426-5.
  15. ^ а б Линн, Стюарт М; Ллойд, Р. Стивен; Робертс, Ричард Дж (декабрь 1993 г.). Нуклеазы. Cold Spring Harbor Press. С. 89–109. ISBN  978-0-87969-426-5.
  16. ^ Робертс Р.Дж., Маселис Д. (январь 1997 г.). «REBASE-рестрикционные ферменты и метилазы». Нуклеиновые кислоты Res. 25 (1): 248–62. Дои:10.1093 / nar / 25.1.248. ЧВК  146408. PMID  9016548.
  17. ^ Ламбовиц AM, Белфорт М (1993). «Интроны как мобильные генетические элементы». Анну Рев Биохим. 62: 587–622. Дои:10.1146 / annurev.bi.62.070193.003103. PMID  8352597.
  18. ^ Линн, Стюарт М; Ллойд, Р. Стивен; Робертс, Ричард Дж (декабрь 1993 г.). Нуклеазы. Cold Spring Harbor Press. С. 111–143. ISBN  978-0-87969-426-5.
  19. ^ Уилсон Г.Г. (декабрь 1988 г.). «Клонированные системы рестрикции-модификации - обзор». Ген. 74 (1): 281–9. Дои:10.1016/0378-1119(88)90304-6. PMID  3074014.
  20. ^ Heath, P .; и другие. (Июнь 1997 г.). «Структура I-Crel, эндонуклеазы, кодирующей интрон группы I». Структурная биология природы. 4 (6): 468–476. Дои:10.1038 / nsb0697-468. PMID  9187655. S2CID  12261983.
  21. ^ Дуань, X. (май 1997 г.). «Кристаллическая структура PI-SceI, самонаводящейся эндонуклеазы с активностью сплайсинга белков». Ячейка. 89 (4): 555–564. Дои:10.1016 / S0092-8674 (00) 80237-8. PMID  9160747. S2CID  14156646.
  22. ^ Van Roey, P .; Фокс, КМ; и другие. (Июль 2001 г.). «Переплетенная структура ДНК-связывающего домена интронной эндонуклеазы I-TevI ​​с ее субстратом». EMBO J. 20 (14): 3631–3637. Дои:10.1093 / emboj / 20.14.3631. ЧВК  125541. PMID  11447104.
  23. ^ Van Roey, P .; Ковальски, Джозеф С .; и другие. (Июль 2002 г.). "Структура каталитического домена и гипотеза функции интронной эндонуклеазы GIY-YIG I-TevI". Структурная биология природы. 9 (11): 806–811. Дои:10.1038 / nsb853. PMID  12379841. S2CID  24856337.
  24. ^ Flick, K .; и другие. (Июль 1998 г.). «Связывание и расщепление ДНК кодируемой ядерным интроном эндонуклеазой самонаведения I-PpoI». Природа. 394 (6688): 96–101. Bibcode:1998Натура 394 ... 96F. Дои:10.1038/27952. PMID  9665136. S2CID  4427957.
  25. ^ Хафез, М; Хауснер, Г. (август 2012 г.). «Самонаводящиеся эндонуклеазы: ножницы для ДНК в миссии». Геном. 55 (8): 553–69. Дои:10.1139 / g2012-049. PMID  22891613.
  26. ^ Shen, B.W .; и другие. (Сентябрь 2004 г.). «Связывание ДНК и расщепление эндонуклеазой HNH Homing I-HmuI». J. Mol. Биол. 342 (1): 43–56. Дои:10.1016 / j.jmb.2004.07.032. PMID  15313606.
  27. ^ Zhao, L .; и другие. (Май 2007 г.). «Рестрикционная складка превращается в темную сторону: бактериальная эндонуклеаза самонаведения с мотивом PD- (D / E) -XK». EMBO Журнал. 26 (9): 2432–2442. Дои:10.1038 / sj.emboj.7601672. ЧВК  1864971. PMID  17410205.
  28. ^ а б Стечкевич, К; Muszewska, A; Книжевский, Л; Рыхлевский, Л; Гинальский, К. (август 2012 г.). «Последовательность, структура и функциональное разнообразие суперсемейства PD- (D / E) XK фосфодиэстеразы». Исследования нуклеиновых кислот. 40 (15): 7016–45. Дои:10.1093 / нар / гкс382. ЧВК  3424549. PMID  22638584.
  29. ^ Dassa, B .; и другие. (Март 2009 г.). «Переломанные гены: новая структура генома, включающая новые расщепленные интеины и новое семейство самонаводящихся эндонуклеаз». Исследования нуклеиновых кислот. 37 (8): 2560–2573. Дои:10.1093 / nar / gkp095. ЧВК  2677866. PMID  19264795.
  30. ^ Тейлор, Г.К .; Heiter, DF; Пьетроковский, С; Стоддард, Б.Л. (декабрь 2011 г.). «Активность, специфичность и структура I-Bth0305I: представитель нового семейства самонаводящихся эндонуклеаз». Исследования нуклеиновых кислот. 39 (22): 9705–19. Дои:10.1093 / nar / gkr669. ЧВК  3239194. PMID  21890897.
  31. ^ Моур К.М., Гимбл Ф.С., Куиочо Ф.А. (октябрь 2002 г.). «Кристаллическая структура интеиновой эндонуклеазы PI-SceI, связанной с ее последовательностью распознавания». Nat. Struct. Биол. 9 (10): 764–70. Дои:10.1038 / nsb840. PMID  12219083. S2CID  40192379.

внешние ссылки

Эта статья включает текст из общественного достояния Pfam и ИнтерПро: IPR007868
Эта статья включает текст из общественного достояния Pfam и ИнтерПро: IPR007869