Кіріспе

Организмнің гендерін ашуға арналған ферменттер класы. Геликазалар – барлық тірі организмдер үшін өте маңызды ферменттер класы болып саналады. Олардың негізгі функциясы – организмнің генетикалық материалының жіптерін ашу. Геликазалар – нуклеин қышқылының фосфодиэстер тірегі бойымен екі гибридтелген нуклеин қышқылының жіптерін (содан туындаған helic + ase) АТФ гидролизінен алынған энергияны пайдаланып, бағытталған қозғалыспен бөліп, моторлық ақуыздар болып табылады. Геликазалар көптеген процестерде жіптерді бөлуді катализдейтін әртүрлі түрлері бар. Эукариоттық гендердің шамамен 1% геликазаларды кодтайды. Адам геномы 95 артық емес геликазаны кодтайды: 64 РНК геликазасы және 31 ДНК геликазасы. ДНК репликациясы, транскрипция, трансляция, рекомбинация, ДНК жөндеу және рибосома биогенезі сияқты көптеген жасушалық процестерде нуклеин қышқылының жіптерін бөлуге геликазалардың қатысуы қажет. Кейбір мамандандырылған геликазалар инфекция кезінде вирус нуклеин қышқылын анықтауға және иммундық функцияларды орындауға қатысады. Геликаза – ДНК репликациясы және жөндеу процестерінде маңызды рөл атқаратын фермент. Оның негізгі функциясы – комплементарлық базалық жұптар арасындағы сутектік байланыстарды үзу арқылы қос спиральді ДНК молекуласын айналдыру, соның нәтижесінде ДНК жіптерінің бөлінуіне мүмкіндік беру. Бұл жаңа ДНК жіптерін синтездеуге үлгі ретінде қызмет ететін репликациялық шанышқыны құрайды. Геликаза – ДНК-ның дұрыс репликациясын және генетикалық ақпаратты сақтауды қамтамасыз ететін жасушалық механизмдердің маңызды құрауышы. ДНК геликазасы регрессияны катализдейді. RecG және PriA ферменттері бірлесіп дуплексті ДНК-ны кері айналдырып, Холлидей торабын құрайды. RecG байланысқан белоктарды босатады, ал PriA геликазасы ДНК-ны қайта жүктеуге көмектеседі. RecG бір жіпті байланыстыратын белокты (SSB) алмастырады, ол шанышқы регрессиясы кезінде геликаза шанышқысын жүктеу орындарын реттейді. SSB белгісі ДНК геликазалары PriA және RecG-мен өзара әрекеттесіп, тоқтап қалған ДНК репликация шанышқыларын қалпына келтіреді. Бұл ферменттер тоқтап қалған шанышқыларға жүктелуі үшін SSB геликазасына байланысуы керек. RecG-нің SSB байланыстырғышымен байланысуының клиндік домені термиялық сырғанау мен ДНК дуплексінің байланысын қолдауы мүмкін. RecG және ATP арқылы катализделген регрессиялық реакцияда кейінірек өңдеу үшін Холлидей тораптары құрылады.

Құрылымдық ерекшеліктері

Геликазалардың ортақ функциясы олардың аминқышқылдар тізбегінде белгілі бір дәрежеде гомологияны көрсетуін түсіндіреді; олардың барлығы бастапқы құрылымының ішкі бөлігінде орналасқан, АТФ байланысуына, АТФ гидролизіне және нуклеин қышқылы субстраты бойынша транслокацияға қатысатын тізбектік мотивтерге ие. Аминқышқылдар тізбегінің өзгеретін бөлігі әр геликазаның ерекше қасиеттерімен байланысты. Осы геликазалық мотивтердің болуы белгілі бір белокқа геликазалық активтілікті тағайындауға мүмкіндік береді, бірақ ол белсенді геликаза екенін міндетті түрде растамайды. Дегенмен, сақталған мотивтер ферменттердің эволюциялық гомологиясын қолдайды. Осы геликазалық мотивтерге негізделген бірнеше геликаза суперотбасылары бөлініп шығарылды.

Үлкен отбасылар

Геликазалар олардың ортақ тізбек мотивтеріне сүйене отырып, 6 топқа (суперотбасыларға) жіктеледі. Сақина құрылымдаспайтын геликазалар 1 және 2-ші суперотбасыларға, ал сақина құрайтын геликазалар 3-тен 6-шы суперотбасыларға жатады. Геликазалар сондай-ақ, бір немесе екі тізбекті ДНК-мен жұмыс істеуіне қарай α немесе β болып жіктеледі; α геликазалар бір тізбекті ДНК-мен, ал β геликазалар екі тізбекті ДНК-мен жұмыс істейді. Олар транслокациялық полярлығы бойынша да жіктеледі. Егер транслокация 3’→5’ болса, геликаза А типіне жатады; егер 5’→3’ болса, В типіне жатады. Ең танымал SF1A геликазалары – грамтеріс бактериялардағы Rep және UvrD, ал грамположит бактериялардағы PcrA геликазалары. Олардың транслокация бағыты 3’→5’, яғни олардың барлығы А типіндегі геликазалар. Бұл функциялар апоптоздың алдын алуға көмектеседі, нәтижесінде ми қабығының мөлшері реттеледі, сондай-ақ гиппокамп пен ми қабығының құрылымдарының сақталуына үлес қосады, бұл есте сақтау мен оқуға әсер етеді. ATRX ақуызында мутациялар табылды, олардың 90%-дан астамы мырыш саусағы және геликаза домендерінде орналасқан. ATRX мутациялары X- байланысты альфа-талассемиялық ақыл-естілік кемістігіне (ATR X синдромына) әкелуі мүмкін. XPD геликазасының тұқым қуалайтын нүктелік мутациялары Коккейн синдромы (CS) және трихотиодистрофия (TTD) сияқты қартаюдың үдеуімен байланысты екені көрсетілген. Коккейн синдромы мен трихотиодистрофия – бұл екі даму бұзылысы, олар ультракүлгін сәулелерге сезімталдықпен және ерте қартаюмен сипатталады, ал Коккейн синдромы туған кезден бастап ауыр ақыл-естілік кемістігін көрсетеді. Бұл кешеннің құрамында ол ДНК-ны айналдыру арқылы нуклеотидтерді жөндеуді жеңілдетеді. RecQ отбасы геликазаларының жетіспеушілігі және/немесе мутациялары аберрантты генетикалық рекомбинацияны және/немесе ДНК репликациясын көрсетеді, бұл хромосомалық тұрақсыздыққа және көбею қабілетінің жалпы төмендеуіне әкеледі. Блум синдромы қатерлі ісікке ерте бейімделумен сипатталады, оның басталу орташа жасы 24 жас. Блум синдромы бар пациенттердің жасушаларында бауырлас хроматидтер арасындағы өзара алмасу жиілігі (SCE) жоғары және хромосомалық зақымданулар көп. БЛМ бұзылған ДНК репликациясын құтқаруда рөл атқаратынына дәлелдер бар. Вернер синдромы бар пациенттердің жасушалары хромосомалық үзілістер мен транслокацияларды, сондай-ақ хромосомалық компоненттердің үлкен жойылуын көрсетеді, бұл геномдық тұрақсыздыққа әкеледі. Ротмунд-Томсон синдромы бар пациенттердің жасушаларында геномдық тұрақсыздыққа әкелетін хромосомалық қайта орналасулар табылады. RecQ – ДНК геликаза ферменттерінің отбасы, олар бактериялар, археялар және эукариоттар (адамдар сияқты) әр түрлі организмдерде кездеседі. Бұл ферменттер ДНК репликациясы, рекомбинациясы және жөндеу кезінде ДНК метаболизмінде маңызды рөл атқарады. Адамда бес RecQ геликазасы белгілі: RecQ1, BLM, WRN, RecQ4 және RecQ5. Бұл гендердің кейбіріндегі мутациялар генетикалық бұзылулармен байланысты. Мысалы, BLM геніндегі мутациялар Блум синдромын тудырады, бұл қатерлі ісік қаупінің жоғарылауымен және басқа да денсаулық мәселелерімен сипатталады. WRN геніндегі мутациялар Вернер синдромына әкеледі, бұл ерте қартаю және жасқа байланысты аурулардың қаупінің жоғарылауымен сипатталатын жағдай. RecQ геликазалары геномдық тұрақтылықты және тұтастықты сақтау үшін маңызды. Олар қатерлі ісік сияқты ауруларға әкелетін генетикалық аномалиялардың жинақталуын болдырмауға көмектеседі. Геномның тұтастығы RecQ ДНК геликазалар отбасына байланысты, оған ДНК жөндеу, рекомбинация, репликация және транскрипция процестері кіреді. Адам RecQ геликазаларының мутацияларынан геномдық тұрақсыздық және ерте қартаю пайда болады. RecQ геликазасы Sgs1 ашытқы жасушаларында жоқ, бұл оларды адам жасушаларының аномалиясын және RecQ геликазасының функциясын түсіну үшін пайдалы модельдерге айналдырады. RecQ геликаза отбасының мүшесі RECQ1 адамдарда сирек кездесетін генетикалық қатерлі ісіктердің пайда болуымен байланысты. Ол транскрипцияға, жасуша циклына және ДНК жөндеуге қатысады. Соңғы зерттеулерге сәйкес RECQ1 геніндегі қате мутациялар туыстық емшек қатерлі ісігінің дамуына ықпал етуі мүмкін. ДНК геликазалары жиі ДНК зақымдалған аймақтарға тартылады және жасушалық ДНК репликациясы, рекомбинациясы, жөндеуі және транскрипциясы үшін маңызды. Олардың молекулалық процестерін химиялық түрлендіру қатерлі ісік жасушаларының бөліну жылдамдығын, сондай-ақ транзакциялардың тиімділігі мен жасушалық гомеостазды өзгерте алады. ДНК геликазаларын, ДНК метаболизмінің бір түрі, кішкентай молекулалардың әсерінен тұрғызылуы, тез көбейетін қатерлі ісік жасушаларына зиян келтіруі мүмкін, бұл қатерлі ісікті емдеуде тиімді болуы мүмкін. Мейоз кезінде ДНК екі тізбекті үзілістері және хроматидадағы басқа ДНК зақымдары гомологты рекомбинация арқылы жөнделеді, мұнда үзілген тізбектің әйнегі немесе гомологты емес әйнек үлгі ретінде қолданылады. Бұл жөндеу кроссоверге (CO) немесе, көбінесе, кроссовер емес (NCO) рекомбинантына әкелуі мүмкін. Schizosaccharomyces pombe ашытқысындағы FANCM отбасы ДНК геликазасы FmI1 мейоз кезінде NCO рекомбинациясының қалыптасуын бағыттайды. RecQ типіндегі геликаза Rqh1 де NCO мейоздық рекомбинацияны бағыттайды. Бұл геликазалар D loop аралықтарын айналдыру қабілеттері арқылы синтез тәуелді тізбек айналу процесі арқылы NCO рекомбинациясын ынталандырады. Arabidopsis thaliana өсімдігінде FANCM геликазасы NCO-ны ынталандырады және CO рекомбинанттарының қалыптасуына қарсы тұрады. Басқа геликаза, RECQ4A/B де CO-ны тәуелсіз түрде азайтады. CO-лардың ұзақ мерзімді шығындарына байланысты CO рекомбинациясының шектелуі ұсынылды, яғни бұрынғы табиғи іріктеумен құрылған аллельдердің қолайлы генетикалық комбинацияларын бұзу. Бұзылған РНК геликазалары қатерлі ісіктерге, жұқпалы ауруларға және нейродегенеративті бұзылуларға байланысты. Бүгінгі күнге дейін анықталған барлық эукариоттық РНК геликазалары сақина құрамайды және SF1 және SF2 құрамына кіреді. Керісінше, сақина құрайтын РНК геликазалары бактериялар мен вирустарда табылған. Айналу белсенділігін көрсететін РНК геликазалары кемінде екі түрлі механизммен сипатталған: канондық дуплекс айналу және жергілікті тізбек ажыратылу. Канондық дуплекс айналу – бұл жоғарыда сипатталғандай, ДНК айналу үшін дуплекс тізбегінің қадамдық бағытталған ажыратылуы. Алайда, жергілікті тізбек ажыратылу геликаза ферментінің дуплекстің кез келген жеріне жүктелу процесі арқылы жүзеге асырылады. Бұл әдетте РНК-ның бір тізбекті аймағымен көмектеседі және ферменттің жүктелуі АТФ байланысымен бірге жүреді. Геликаза мен АТФ байланысқаннан кейін жергілікті тізбек ажыратылу жүзеге асырылады, бұл АТФ байланысын қажет етеді, бірақ АТФ гидролизінің өзіндік процесін қажет етпейді. Аз базалық жұптармен жабдықталғаннан кейін дуплекс ферменттен қосымша көмексіз таралады. Бұл айналу режимі DEAD/DEAH қорап геликазаларымен қолданылады. РНК геликазасының базасы қазірде онлайнда қол жетімді, ол РНК геликазаларының тізбегі, құрылымы және биохимиялық және жасушалық функциялары сияқты ақпараттарды қамтиды.

Геликаза белсенділігін өлшеу және бақылау

In vitro геликаза белсенділігін өлшеу үшін әртүрлі әдістер қолданылады. Бұл әдістер сапалық (әдетте мәндер мен өлшемдерді қамтымайтын нәтижелер беретін талдаулар) және сандық (статистикалық және сандық талдауда қолданылатын сандық нәтижелер беретін талдаулар) болып бөлінеді. 1982–1983 жылдары геликаза белсенділігін өлшеуге арналған алғашқы тікелей биохимиялық талдау әзірленді. Бұл әдіс «жіптің орын ауыстыруы» деп аталды. Жіптің орын ауыстыруы ДНК дуплекстерін радиоактивті түрде белгілеуді қамтиды. Геликазамен өңдегеннен кейін, бір жіпті ДНК, денатурацияланбаған PAGE электрофорезі арқылы екі жіпті ДНК-дан бөлек түрде визуалды түрде анықталады. Бір жіпті ДНК анықталғаннан кейін, екі жіпті ДНК-ның қанша деградацияланғанын сандық түрде анықтау үшін бір жіпті ДНК-дағы радиоактивті белгінің мөлшері өлшенеді. Жіптің орын ауыстыруы сапалық талдау үшін қолайлы болғанымен, бір уақыттық нүктедегі нәтижелерді көрсетуге болмайтындығы, көп уақытты қажет етуі және белгілеу үшін радиоактивті қосылыстарға тәуелділігі геликаза белсенділігін нақты уақытта бақылайтын диагностикалық әдістерді әзірлеу қажеттігін тудырды. Кейіннен жоғары өнімділік, радиоактивті емес нуклеотидтерді белгілеу, реакция уақытын қысқарту/уақытты үнемдеу, геликаза белсенділігін нақты уақытта бақылау (кінәраттық өлшеуді қолдану арқылы, соңғы нүктелік/бір нүктелік талдаудың орнына) сияқты мүмкіндіктерді қамтитын басқа әдістер әзірленді. Бұл әдістерге: «жылдам сөндіру ағыны әдісі, флуоресценцияға негізделген талдаулар, сүзгілеу талдаулары, сцинтилляциялық жақындық талдаулары, уақыт бойынша шешілген флуоресценциялық резонанстық энергияны беру талдаулары, флэшплака технологиясына негізделген талдаулар, біртекті уақыт бойынша шешілген флуоресценциялық сөндіру талдаулары және электрохимилюминесценцияға негізделген геликаза талдаулары» кіреді. Кейбір талдаулар арнайы математикалық теңдеулерді қолдану арқылы геликазаның 1 АТФ молекуласының гидролизіне қарай қанша базалық жұптық нуклеотидтерді бөле алатынын анықтау үшін қолданылуы мүмкін. Сондай-ақ, коммерциялық диагностикалық жиынтықтар қол жетімді. Мұндай жиынтықтың бірі – PerkinElmer, Inc. компаниясының «Trupoint» диагностикалық талдауы. Бұл талдау – уақыт бойынша шешілген флуоресценциялық сөндіру талдауы, ол PerkinElmer-дің «SignalClimb» технологиясын пайдаланады, ол бір-біріне жақын, бірақ қарама-қарсы ДНК тізбектеріне байланысқан екі белгіге негізделген. Бір белгі – флуоресцентті лантаноид хелаты, ол 96/384 ұңғымалық тақтаны оқығыш арқылы бақыланатын белгі ретінде қызмет етеді. Екінші белгі – органикалық сөндіргіш молекула. Бұл талдаудың негізі – органикалық сөндіргіш молекуланың лантаноид хелаты сигналын «сөндіруі» немесе басуы, егер екеуі жақын болса, ДНК дуплексі өзгермеген күйде болғандағыдай. Дуплексте геликаза белсенділігі кезінде, ДНК-ның оралуы кезінде лантаноид және сөндіргіш белгілері бөлінеді. Бұл жақындықтың жоғалтылуы сөндіргіштің лантаноид сигналын басу қабілетін жояды, нәтижесінде флуоресценцияның анықталатын артуына әкеледі, бұл оралған ДНК мөлшерін көрсетеді және геликаза белсенділігінің өлшенетін көрсеткіші ретінде қолданылуы мүмкін. Бір молекулалық флуоресценциялық бейнелеу әдістерін орындау және қолдану, эпифлуоресценттік бейнелеумен бірге оптикалық тұтқындау және жалпы ішкі шағылысу флуоресценциялық визуализациясымен бірге беттік бекітуге баса назар аудару. Микроканалдық ағынды жасушалармен және микрофлюидтік бақылаумен біріктірілгенде, жеке флуоресценттік таңбаланған ақуыз және ДНК молекулаларын бейнелеуге және қадағалауға мүмкіндік береді, бұл ДНК-ның оралуын және транслокациясын бір молекулалық ажыратымдылықпен өлшеуді қамтамасыз етеді.

Геликазалық полярлылықты анықтау

Геликазаның полярлығы, сонымен қатар "бағыттылығы" деп те аталады, геликазаның ДНК/РНҚ бір жіптегі қозғалысының бағыты (5'→3' немесе 3'→5') ретінде анықталады. Бұл полярлықты анықтау, мысалы, сыналып жатқан геликазаның ДНК-ның жетекші жібіне, немесе артта қалған жібіне бекінетінін анықтау үшін маңызды. Бұл геликаза ерекшелігін сипаттау үшін, субстрат ретінде жартылай екі жіпті ДНК қолданылады, оның орталық бір жіпті ДНК аймағында ДНК-ның екі жағында әртүрлі ұзындықтағы екі жіпті аймақтар болады (осы аймақтың екі жағында 5'→3' және 3'→5' бағытта жүретін бір қысқа аймақ). Геликазаны осы орталық бір жіптік аймаққа қосылғаннан кейін, полярлық жаңадан түзілген бір жіпті ДНК-ны сипаттау арқылы анықталады.