Кіріспе
Нуклеин қышқылдарын кесетін ферменттер класы. Биохимияда нуклеаза (кейде нуклеодеполимераза немесе полинуклеотидаза деп те аталады) – нуклеин қышқылдарының нуклеотидтері арасындағы фосфодиэстерлік байланыстарды кесетін фермент. Нуклеазалар мақсатты молекулаларда бір және екі тізбекті үзілістерді әртүрлі жасайды. Тірі организмдерде олар ДНК жөндеудің көптеген аспектілері үшін қажетті механизмдер болып табылады. Кейбір нуклеазалардың кемістіктері генетикалық тұрақсыздыққа немесе иммуножеткіліксіздікке алып келуі мүмкін. Нуклеазалар молекулалық клондауда кеңінен қолданылады. Әрекет ету орнына қарай екі негізгі жіктеме бар. Экзонуклеазалар нуклеин қышқылдарын ұштарынан ыдыратады. Эндонуклеазалар мақсатты молекулалардың ортасындағы аймақтарға әсер етеді. Олар дезоксирибонуклеазалар және рибонуклеазалар болып тармақталады. Біріншісі ДНК-ға, екіншісі РНК-ға әсер етеді. Бұл ферменттердің бірі ДНК-ға метил тобын қосып, метилделген ДНК-ны жасайды, ал екіншісі метилделмеген ДНК-ны молекуланың ұзындығы бойынша әртүрлі жерлерде кеседі. Ферменттердің бірінші түрі "метилаза", ал екіншісі "шектеуші нуклеаза" деп аталды. Бұл ферменттік құралдар ДНК молекулаларын "кесіп-жабыстыру" үшін қажетті құралдарды жинаған ғалымдар үшін маңызды болды. Содан кейін ғалымдарға ДНК молекулаларын болжамды және қайталанатын тәсілмен кесу үшін молекуланың ұзындығы бойынша кездейсоқ емес, белгілі бір орындарда ДНК-ны кесетін құрал қажет болды. 1968 жылы Джонс Хопкинс университетінде жұмыс істеген Х.О. Смит, К.В. Уилкокс және Т.Дж. Келли бірінші шектеуші нуклеазаны оқшаулап, сипаттаған кезде маңызды жаңалық болды, оның жұмыс істеуі нақты ДНК нуклеотидтік тізбегіне байланысты болды. Haemophilus influenzae бактериясымен жұмыс істеген бұл топ әрқашан алты негіздік жұптың нақты тізбегіндегі нақты нүктеде ДНК молекулаларын кесетін HindII деп аталатын ферментті бөліп алды. Олар HindII ферменті әрқашан осы тізбектің ортасында (3-ші және 4-ші негіздік жұптардың арасында) тура кесілетінін анықтады.
In biochemistry, a nuclease (also archaically known as nucleodepolymerase or polynucleotidase) is an enzyme capable of cleaving the phosphodiester bonds between nucleotides of nucleic acids. Nucleases variously effect single and double stranded breaks in their target molecules. In living organisms, they are essential machinery for many aspects of DNA repair. Defects in certain nucleases can cause genetic instability or immunodeficiency. Nucleases are also extensively used in molecular cloning. There are two primary classifications based on the locus of activity. Exonucleases digest nucleic acids from the ends. Endonucleases act on regions in the middle of target molecules. They are further subcategorized as deoxyribonucleases and ribonucleases. The former acts on DNA, the latter on RNA. One of these enzymes added a methyl group to the DNA, generating methylated DNA, while the other cleaved unmethylated DNA at a wide variety of locations along the length of the molecule. The first type of enzyme was called a "methylase" and the other a "restriction nuclease". These enzymatic tools were important to scientists who were gathering the tools needed to "cut and paste" DNA molecules. What was then needed was a tool that would cut DNA at specific sites, rather than at random sites along the length of the molecule, so that scientists could cut DNA molecules in a predictable and reproducible way. An important development came when H. O. Smith, K. W. Wilcox, and T. J. Kelly, working at Johns Hopkins University in 1968, isolated and characterized the first restriction nuclease whose functioning depended on a specific DNA nucleotide sequence. Working with Haemophilus influenzae bacteria, this group isolated an enzyme, called HindII, that always cut DNA molecules at a particular point within a specific sequence of six base pairs. They found that the HindII enzyme always cuts directly in the center of this sequence (between the 3rd and 4th base pairs).
Сандық жіктеу жүйесі
Көптеген нуклеазалар "Халықаралық биохимия және молекулалық биология одағының номенклатура комитеті" фермент комиссиясының нөмірімен гидролазалар (EC нөмірі 3) ретінде жіктеледі. Нуклеазалар, фосфодиэстераза, липаза және фосфатаза сияқты, гидролазалардың кіші тобы – эстразаларға (EC нөмірі 3.1) жатады. Нуклеазаларға жататын эстразалар EC нөмірлері 3.1.11 және 3.1.31 бойынша жіктеледі.
Құрылымы
Нуклеазаның біріншілік құрылымы көбінесе нашар сақталады және активті орындарда ең төменгі деңгейде сақталады, олардың беттері негізінен қышқыл және сілтілі аминқышқылдарынан тұрады. Нуклеазаларды бүктелу отбасыларына жіктеуге болады.
Сайтты тану
Нуклеаза молекуланы кесу үшін нуклеин қышқылымен байланысуы тиіс. Бұл белгілі бір деңгейде тануды білдіреді. Нуклеазалар тану және байланыс әдістерінде бейтарап және ерекше ассоциацияларды әртүрлі қолданады. Екі режим де тірі организмдерде, әсіресе ДНҚ жөндеуде маңызды рөл атқарады. ДНҚ жөндеуге қатысатын бейтарап эндонуклеазалар ДНҚ-ны мақсатты тізбектерді немесе зақымдануларды іздеуге мүмкіндік береді. Мұндай нуклеазалар ДНҚ-ның химиялық топтарымен өзара әрекеттесетін белсенді орынның қалдықтары бар нысанаға кездескенше ДНҚ бойымен қозғалады. ЭкоRV, BamHI және PvuII сияқты эндонуклеазалардың жағдайында бұл бейтарап байланыс ақуыз бен ДНҚ-ның минималды беттік ауданы арасындағы электростатикалық өзара әрекеттесуді қамтиды. Бұл әлсіз байланыс ДНҚ-ның жалпы пішінін өзгерте алмайды, ол B формасында қалады.
Көбейту бұрандасы тоқтады
ДНҚ-ның көптеген зақымдану түрлері репликация шанышқысының жылжуын тоқтатады, нәтижесінде ДНҚ полимеразалары мен байланысты механизмдер шанышқыны тастап кетеді. Содан кейін ол шанышқыға тән ақуыздармен өңделеді. Ең маңыздысы – MUS81. Оның жоқтығы ашытқыда ультракүлгін сәулеленуге немесе метилдену зақымдануына, сондай-ақ мейоз ақауларына әкеледі.
Сәйкестікті жөндеу
Кез келген организмде ДНҚ сәйкессіздіктерін жөндеуге сәйкессіздікке тән эндонуклеаздар жиынтығы жауапты. Прокариоттарда бұл қызметті негізінен MutSLH және өте қысқа жамау жөндеу (VSP жөндеу) жүйесімен байланысты ақуыздар атқарады. MutSLH жүйесі (MutS, MutL және MutH құрамында) нүктелік мутацияларды және шағын өзгерістерді түзетуге қатысады. MutS сәйкессіздіктерді таниды және байланыстырады, содан кейін MutL және MutH-ті тартады. MutL MutS пен MutH арасындағы өзара әрекеттесуді қамтамасыз етеді және соңғысының эндонуклеазалық активтілігін күшейтеді. MutH гемиметилденген 5'-GATC-3' учаскелерін таниды және метилденбеген тізбектің (жақында синтезделген тізбек) G-сіне жақын жерден кесіп тастайды. VSP жөндеуін Vsr эндонуклеазасы бастайды. Ол метилденген цитозиндердің спонтанды түрде тиминге деаминациялануынан туындаған Т/Г сәйкессіздігін түзетуге қатысады. Vsr 5'-CTWGG-3' тізбегін таниды, онда ол сәйкессіз тиминнің 5' жағындағы ДНК тізбегін кесіп тастайды (алдыңғы тізбекте сызылып көрсетілген). Содан кейін RecJ, ExoVII немесе ExoI экзонуклеазаларының бірі ДНК полимеразасы тізбектегі үзілісті қайта синтездеуге дейін учаскені ыдыратады. V(D)J рекомбинациясы қос тізбекті үзілістерге байланысты сабақ тізбектік құрылымдарды ашуды және одан кейін екі ұшын біріктіруді қамтиды. Бұл реакцияға Artemis DNAPKcs кешені қатысады. Артемис жеке өзі 5'→3' ssDNA экзонуклеазалық активтілікті көрсетсе, ДНК PKcs-пен кешендесуі сабақ тізбектерін эндонуклеазалық түрде өңдеуге мүмкіндік береді. Екі ақуыздың біреуінің де жетіспеуі ауыр иммуножеткілікке алып келеді. Гомологиялық рекомбинация, керісінше, D тізбектері немесе Холлидей түйіндері арқылы байланысқан екі гомологиялық ДНК дуплексін қамтиды. Бактерияларда RuvC сияқты эндонуклеаздар Холлидей түйіндерін түйін ортасына жақын екі симметриялық жерде кесіп, екі жеке dsDNA-ға айналдырады. Эукариоттарда FEN1, XPF ERCC1 және MUS81 D тізбектерін кесіп тастаса, ал Cce1/Ydc2 митохондриядағы Холлидей түйіндерін өңдейді.
where it nicks the DNA strand on the 5' side of the mismatched thymine (underlined in the previous sequence). One of the exonucleases RecJ, ExoVII, or ExoI then degrades the site before DNA polymerase resynthesizes the gap in the strand. V(D)J recombination involves opening stem loops structures associated with double strand breaks and subsequently joining both ends. The Artemis DNAPKcs complex participates in this reaction. Although Artemis exhibits 5' → 3' ssDNA exonuclease activity when alone, its complexing with DNA PKcs allows for endonucleasic processing of the stem loops. Defects of either protein confers severe immunodeficiency. Homologous recombination, on the other hand, involves two homologous DNA duplexes connected by D loops or Holliday junctions. In bacteria, endonucleases like RuvC resolve Holliday junctions into two separate dsDNAs by cleaving the junctions at two symmetrical sites near the junction centre. In eukaryotes, FEN1, XPF ERCC1, and MUS81 cleave the D loops, and Cce1/Ydc2 processes Holliday junctions in mitochondria.
Меганнуклеаздар
Белгілі бір нуклеазаның белгілі бір ДНК молекуласын кесу жиілігі ДНК-ның күрделілігіне және нуклеазаның тану тізбегінің ұзындығына байланысты; негіздерді белгілі бір ретпен кездейсоқ табудың статистикалық ықтималдығына байланысты, ұзағырақ тану тізбегі кесу жиілігін азайтады. Мысалы, берілген төрт негізді тізбек (гипотетикалық нуклеазаның тану орнына сәйкес) орташа есеппен 256 негіздік жұпқа бір рет келеді деп болжанады (мұнда 4^4=256), ал кез келген берілген алты негізді тізбек орташа есеппен 4096 негіздік жұпқа бір рет келеді деп күтіледі (4^6=4096). Нуклеазалардың бірегей тобы – мегануклеазалар, олар 12-ден 40-қа дейін негіздік жұптардан тұратын үлкен және сондықтан сирек кездесетін тану тізбектерімен сипатталады. Бұл нуклеазалар, әсіресе, өсімдіктер мен сүтқоректілер сияқты күрделі организмдерде генетикалық инженерия және геномдық инженерия қолданбаларында пайдалы, себебі мұндай организмдердегі үлкен геномдар (миллиардтаған негіздік жұптар) дәстүрлі нуклеазаларды қолданғанда жиі және зиянды сайтқа тән кесуге алып келуі мүмкін.