Кіріспе
ДНК-ны ыдырататын ферменттер. Дезоксирибонуклеаза (қысқаша DNase) – гликопротеин эндонуклеазалар тобы, бұл ферменттер ДНК-ның негізгі тізбегіндегі фосфодиэстер байланыстарын гидролизге түсіріп, ДНК-ны ыдыратады. Жасушалардағы DNase ферментінің қызметіне апоптоз, некроз және нейтрофилдердің жасушадан тыс тұзақтары (NET) арқылы шығарылатын жасушадан тыс ДНК-ны (ecDNA) ыдырату кіреді, бұл әйтпесе туындайтын қабыну реакцияларын азайтуға көмектеседі. Дезоксирибонуклеазалардың көптеген түрлері белгілі және олар субстраттарға қатысты ерекшеліктері, химиялық механизмдері және биологиялық функциялары бойынша ерекшеленетін екі отбасының біріне (DNase I немесе DNase II) жатады. ДНase-тің зертханалық қолданыстарына прокариоттық организмдерден алынған ақуыздарды тазарту кіреді. Сонымен қатар, DNase қан плазмасындағы ecDNA-дан туындаған ауруларды емдеу үшін қолданылады. DNase-тің талдаулары зерттеу саласында да кеңінен қолданылуда.
Deoxyribonuclease (DNase, for short) refers to a group of glycoprotein endonucleases which are enzymes that catalyze the hydrolytic cleavage of phosphodiester linkages in the DNA backbone, thus degrading DNA. The role of the DNase enzyme in cells includes breaking down extracellular DNA (ecDNA) excreted by apoptosis, necrosis, and neutrophil extracellular traps (NET) of cells to help reduce inflammatory responses that otherwise are elicited. A wide variety of deoxyribonucleases are known and fall into one of two families (DNase I or DNase II), which differ in their substrate specificities, chemical mechanisms, and biological functions. Laboratory applications of DNase include purifying proteins when extracted from prokaryotic organisms. Additionally, DNase has been applied as a treatment for diseases that are caused by ecDNA in the blood plasma. Assays of DNase are emerging in the research field as well.
Түрлері
Жануарларда табылған DNазаның екі негізгі түрі дезоксирибонуклеаза I (DNаза I) және дезоксирибонуклеаза II (DNаза II) деп белгілі. Бұл екі топтың ішінде тармақтар бар.
DNase I туысы: DNase I, DNase1L1, DNase 1L2, DNase1L3
DNase-тердің бірінші тобы – DNase I. Осы тұқымға DNase I, DNase1L1, DNase 1L2 және DNase1L3 кіреді. DNase I ДНК-ны 5’ фосфо және 3’ гидрокси ұштары бар екі олигонуклеотидтік соңғы өнімге ыдыратып, негізінен ас қорыту жүйесі мүшелерінде өндіріледі. DNase I тұқымы активаторлар ретінде Ca2+ және Mg2+ катиондарын қажет етеді және таңдамалы түрде экспрессияланады. pH жағынан алғанда, DNase I тұқымы шамамен 6,5-тен 8-ге дейінгі қалыпты pH-та белсенді болады.
DNase II туысы: DNase II ɑ және DNase II
ДНАзалардың екінші тобы – ДНАза II. Бұл отбасы DNase II α және DNase II β тұрады. DNAase I сияқты, DNAase II де ДНК-ны 5’ гидрокси және 3’ фосфо ұштары бар екі олигонуклеотидтік түпкілікті өнімдерді қалыптастыру үшін кесіп бөледі. Бұл типтегі ДНАзалар макрофагтарда жоғары экспрессияға ие болғандықтан, ұлпаларда кеңінен таралған, бірақ клеткалық типтерде экспрессиясы шектеулі. DNAase I-ден айырмашылығы, оларға Ca2+ және Mg2+ катиондары активатор ретінде қажет емес. pH жағынан алғанда, ДНАза II отбасы қышқыл ортада белсенді. Диметил сульфоксид (DMSO) болғанда, ДНАза II-нің кесу үлгісі өзгереді, бұл ДНК құрылымына айтарлықтай әсер етеді.
Құрылымы
I және II ДНҚазалары гликопротеин эндонуклеазалары болғанымен, I ДНҚазасы көмірсутектік тізбегі бар мономерлік сэндвич тәрізді құрылымға ие, ал II ДНҚазасы төртіншілік димерлік құрылымға ие. I ДНҚазасының құрылымы: I ДНҚазасы – молекулалық салмағы 30 000 Да және Asn18 (қызыл-сары) қосылған 8-10 қалдықтан тұратын көмірсутектік тізбегі бар гликопротеин. Бұл α,β протеин, оның құрылымының ядросын құрайтын екі 6 жіпті β-пликалы табақшасы бар. Бұл екі негізгі табақша параллель бағытта, ал қалғандары антипараллель бағытта орналасқан. β-пликалы табақшалар құрылымның ортасында жатыр, ал α-спиральдері шеткі аймақтармен белгіленеді. I ДНҚазасының құрамында төрт ион байланысу қалтасы бар және қос тізбекті ДНК-ны гидролиздеу үшін Ca2+ және Mg2+ қажет. Екі орын Ca2+ иондарымен берік байланысады, ал қалған екеуі Mg2+ иондарын координациялайды. Mg2+ байланысу орындарының саны мен орналасуы туралы ақпарат аз, бірақ Mg2+ каталитикалық қалтаға жақын орналасқан және гидролиз процесіне үлес қосады деп болжанады. Суретте екі Ca2+ ионы қызыл түспен көрсетілген. Олар кристалдану жағдайында I ДНҚазасына байланысады және Asp198 – Thr204 (көк) аралығындағы беттік циклды тұрақтандыру арқылы, сондай-ақ иілгіш циклдағы жоғары жылулық қозғалғыштық аймағын Gly97 – Gly102 (сары) қалдықтарымен шектеу арқылы молекуланың құрылымдық тұтастығын қамтамасыз етеді. II ДНҚазасының құрылымы: II ДНҚазасы U пішіндес қысқыш архитектурасында қос тізбекті ДНК-ны байланыстыруға қабілетті гомодимерлік төртіншілік құрылымға ие. U пішіндес қысқыштың ішкі бөлігі негізінен электропозитивті, теріс зарядталған ДНК-ны байланыстыруға қабілетті. I ДНҚазасына ұқсас, II ДНҚазасының құрылымы 9 α-спираль және 20 β-пликалы табақшадан тұратын аралас α/β екінші құрылымнан тұрады. Бірақ I ДНҚазасынан айырмашылығы, II ДНҚазасы катализ үшін дивалентті металл иондарын қажет етпейді. Кейбір ДНҚазалар кесу кезінде ДНК тізбегіне қатысты талғамсыз болады, ал басқалары, соның ішінде шектеу ферменттері, өте тізбекке тәуелді болады. Басқа ДНҚазалар тек қос тізбекті ДНК-ны ғана кеседі, ал басқалары бір тізбекті молекулаларға, ал үшіншілері екеуіне де белсенді болады. ДНҚазаның әрекеті үш кезеңнен тұрады. Бастапқы кезеңде фосфодиэстер тірекшесінде бірнеше езулер пайда болады. Екінші кезеңде қышқылға ерігіш нуклеотидтер түзіледі. Үшінші кезең – терминалдық кезең, ол олигонуклеотидтердің ыдырауынан тұрады, бұл УФ-спектрдегі гиперхромдық қағидаға әкеледі.
DNase I механизмі
I DNase I негізінен екі тізбекті ДНК-ны, ал аздап, кейбір бір тізбекті ДНК-ны кесу үшін таңдайды. DNase I бір тізбектегі фосфодиэстерлік байланыстарды кесу арқылы ДНК-ның белгісіз кесілуін катализдейді. Оның кесу орны 3' оттегі атомы мен жақын орналасқан фосфор атомы арасында болады, нәтижесінде фосфорда конфигурациясы өзгеретін 3' гидроксил және 5' фосфорил олигонуклеотидтері пайда болады. DNase ферментінің қалыпты жұмыс істеуі үшін, әдетте Ca2+ болатын екі валентті катионның болуы қажет. DNase I-дің активті орталығында екі гистидин қалдығы (His134 және His252) және екі қышқыл қалдығы (Glu78 және Asp 212) бар, олардың барлығы фосфодиэстерлік байланыстардың жалпы қышқыл-негізді катализі үшін өте маңызды.
DNase II механизмі
Дезоксирибонуклеаза II (DNase II) қышқыл дезоксирибонуклеаза деп те аталады, себебі ол лизосомалардың төмен pH ортасында ең жақсы активтілікті көрсетеді, және осы ортада жоғары эукариоттарда жиі кездеседі. Кейбір рекомбинантты DNase II түрлері еківалентті металл иондарының болмауында төмен pH-та жоғары активтілік көрсетеді, бұл эукариоттық DNase II-ге ұқсас. ДНҚ гидролизденеді, бірақ ақуыздар өзгермейді және экстрактты тағы да тазартуға болады.
Емдеу
Жасушадан тыс ДНК (ecDNA) – қан айналымында табылатын ДНК. Ол қан мен тіндердің жасушаларының апоптозы, некрозы немесе нейтрофильді клеткадан тыс тұзақтарының (NETosis) нәтижесінде пайда болады, бірақ сондай-ақ тірі жасушалардың белсенді секрециясынан да туындауы мүмкін. EcDNA және олармен байланысатын ДНК байланыстырушы ақуыздар ДНК сезгіш рецепторларын, нақтырақ айтқанда үлгіні тану рецепторларын (PRR) белсендіре алады. PRR қабыну иммундық жауабын тудыратын жолдарды стимуляциялайды. Осының салдарынан, қабыну ауруларына қатысты бірнеше зерттеулер қан плазмасында ecDNA концентрациясының жоғары екенін көрсетті. Осы себепті, DNase қан плазмасындағы ecDNA деңгейін төмендетуге қабілетті емдік құрал ретінде қарастырылуда. DNase жасуша ішінде де, жасуша сыртында да бөліне алады және ДНК-ның фосфодиэстерлік байланысын кесе алады. Бұл қасиеті ecDNA концентрациясын төмен ұстап, қабынуды емдеуге мүмкіндік береді. Қандағы ДНК қалдықтарынан туындаған ауруларды емдеу үшін DNase-тің "бөлшектеу қасиеттерінен" пайдалануға бағытталған зерттеулер жүргізілуде. Зерттеулер DNase-тің шырыштың тұтқырлығын азайту арқылы емдік әсер ететінін көрсетті. DNase-тің қолданылу жолы аурудың түріне байланысты өзгереді. Ол ауыз арқылы, плевраға, тамырға, ішқуысқа және ингаляция арқылы енгізілуі мүмкін. Көптеген зерттеулер DNase-ті емдік құрал ретінде қолдануды және денсаулықты бақылау әдістерін зерттеуді жалғастыруда. Мысалы, жақында патогенді бактериялардан алынған DNase жара инфекциясын бақылау индикаторы ретінде қолданылды.