Кіріспе
Рибонуклеаза H ферменттер отбасы (қысқаша RNase H немесе RNH) – РНК/ДНК субстратындағы РНК-ны гидролиттік механизм арқылы кесуді катализдейтін, тізбекке тәуелсіз эндонуклеаза ферменттер отбасы. RNase H отбасының мүшелері бактериялардан археяларға және эукариоттарға дейін барлық организмдерде кездеседі. Отбасы эволюциялық жағынан байланысты топтарға бөлінеді, олардың әртүрлі субстраттық қалаулылықтары бар, және кеңінен рибонуклеаза H1 және H2 деп аталады. Адам геномы H1 және H2 екі түрін де кодтайды. Адам рибонуклеаза H2 – үш суббірліктерден тұратын гетеротримерлік кешен, олардың кез келгенінің мутациялары Айкарди-Гутьер синдромы деп аталатын сирек аурудың генетикалық себептерінің бірі болып табылады. Ал H1 және H2 тіршіліктің барлық домендерінде кездеседі. Эукариоттарда рибонуклеаза H1 митохондриялық геномның ДНК репликациясына қатысады. H1 және H2 екеуі де R циклдік құрылымдарды өңдеу сияқты геномды сақтау жұмыстарына қатысады. RNase H ферменттері эволюциялық жағынан байланысты суперотбасының мүшелері болып саналады, олар ретровирустық интегразалар, ДНК транспозазалар, Холлидей түйіспелерін ажырататын ферменттер, Piwi және Argonaute ақуыздары, әртүрлі экзонуклеазалар және сплайсосомалық ақуыз Prp8 сияқты басқа нуклеазалар мен нуклеин қышқылы өңдеу ферменттерін қамтиды. RNase H ферменттерін екі негізгі түртүпке бөлуге болады: H1 және H2, олар тарихи себептерге байланысты эукариоттарда араб цифрларымен, ал прокариоттарда рим цифрларымен белгіленеді. Осылайша, Escherichia coli RNase HI – Homo sapiens RNase H1-нің гомологы болып табылады. Барлық RNase H ферменттерінің активті орталығы аспартат және глутамат қалдықтарынан тұратын сақталған тізбек мотивінің ішінде орналасқан, бұл мотив көбінесе DEDD мотиві деп аталады. Бұл қалдықтар катализ үшін қажетті магний иондарымен өзара әрекеттеседі. H1 тобының барлық мүшелері және H2 тобының прокариот мүшелері мономерлер ретінде жұмыс істейтін болса, эукариоттық H2 ферменттері міндетті түрде гетеротримерлер болып табылады. H1 тобында субстратқа байланысудың жоғары туыстығы мен субстратқа байланысудың үлкен және негізгі бетін қамтамасыз ететін спираль және иілгіш тізбектен тұратын құрылымдық элементтердің болуы арасындағы байланыс анықталды. С спиралінің таксономиялық таралуы әртүрлі; ол E. coli және адам RNase H1 гомологтарында кездеседі, бірақ HIV RNase H доменінде жоқ, бірақ С спиралі бар ретровирустық домендердің мысалдары бар.
Ribonuclease H (abbreviated RNase H or RNH) is a family of non sequence specific endonuclease enzymes that catalyze the cleavage of RNA in an RNA/DNA substrate via a hydrolytic mechanism. Members of the RNase H family can be found in nearly all organisms, from bacteria to archaea to eukaryotes. The family is divided into evolutionarily related groups with slightly different substrate preferences, broadly designated ribonuclease H1 and H2. The human genome encodes both H1 and H2. Human ribonuclease H2 is a heterotrimeric complex composed of three subunits, mutations in any of which are among the genetic causes of a rare disease known as Aicardi–Goutières syndrome. whereas H1 and H2 occur in all domains of life. In eukaryotes, ribonuclease H1 is involved in DNA replication of the mitochondrial genome. Both H1 and H2 are involved in genome maintenance tasks such as processing of R loop structures. RNases H have been proposed as members of an evolutionarily related superfamily encompassing other nucleases and nucleic acid processing enzymes such as retroviral integrases, DNA transposases, Holliday junction resolvases, Piwi and Argonaute proteins, various exonucleases, and the spliceosomal protein Prp8. RNases H can be broadly divided into two subtypes, H1 and H2, which for historical reasons are given Arabic numeral designations in eukaryotes and Roman numeral designations in prokaryotes. Thus the Escherichia coli RNase HI is a homolog of the Homo sapiens RNase H1. All RNases H have an active site centered on a conserved sequence motif composed of aspartate and glutamate residues, often referred to as the DEDD motif. These residues interact with catalytically required magnesium ions. While all members of the H1 group and the prokaryotic members of the H2 group function as monomers, eukaryotic H2 enzymes are obligate heterotrimers. Within the H1 group, a relationship has been identified between higher substrate binding affinity and the presence of structural elements consisting of a helix and flexible loop providing a larger and more basic substrate binding surface. The C helix has a scattered taxonomic distribution; it is present in the E. coli and human RNase H1 homologs and absent in the HIV RNase H domain, but examples of retroviral domains with C helices do exist.
Функция
Рибонуклеаза H ферменттері екі тізбекті РНК:ДНК гибридінде РНК-ның фосфодиэстерлік байланыстарын кеседі, кесу орнының екі жағында 3' гидроксил және 5' фосфат тобын қалдырады. Бұл процесс екі металл ионының катализдік механизмі арқылы жүзеге асырылады, онда Mg2+ және Mn2+ сияқты екі дивалентті катион тікелей каталитикалық функцияға қатысады. 1-түрлі RNase H ферменттеріне прокариоттық және эукариоттық RNase H1, сондай-ақ ретровирустық RNase H жатады. 2-түрлі RNase H ферменттеріне прокариоттық және эукариоттық RNase H2, бактериялық RNase H3 кіреді. Бұл RNase H ферменттері мономерлік түрінде болады, бірақ эукариоттық RNase H2 гетеротримерлік түрінде кездеседі. RNase H1 және H2 ферменттері субстратқа қатысты ерекше таңдаулылыққа ие және жасушада ерекше, бірақ бірін-бірі толықтыратын функцияларды атқарады. Прокариоттар мен төменгі эукариоттарда ешқайсысы да қажетті емес, ал жоғары эукариоттарда екеуі де маңызды деп есептеледі.
Рибонуклеаза H1
Рибонуклеаза H1 ферменттері субстратта кем дегенде төрт рибонуклеотидті құрайтын негіз жұптарын қажет етеді және толығымен дезоксирибонуклеотидтерден тұратын тізбектен жалғыз рибонуклеотидті алып тастай алмайды. Осы себепті, RNase H1 ферменттері ДНК репликациясы кезінде Оказаки фрагменттерінен алынған РНК праймерлерін өңдеуге қатысуы екіталай. Көптеген эукариоттарда, соның ішінде сүтқоректілерде, RNase H1 гендері митохондрияға бағытталған тізбекті қамтиды, бұл MTS бар және жоқ изоформалардың экспрессиясына алып келеді. Нәтижесінде, RNase H1 митохондрия мен ядроға орналасады. Нокаут тышқан модельдерінде RNase H1 жоқ мутанттары митохондриялық ДНК репликациясындағы кемшіліктерге байланысты эмбриогенез кезінде өлімге әкеледі. RNase H1-дің жоғалуынан туындаған митохондриялық ДНК репликациясындағы кемшіліктер R циклдерін өңдеудегі бұзылыстарға байланысты болуы мүмкін. B-суббірлігі H2 кешені мен PCNA арасындағы белок-белок өзара әрекеттесуін қамтамасыз етеді, бұл H2-ні репликация ошақтарына орналастырады. H1 және H2 екеуі де сүтқоректілердің жасушалық ядросында болғанымен, H2 - бұл RNase H активтілігінің басты көзі және геномдық тұрақтылықты сақтауда маңызды рөл атқарады. Прокариоттар арасында кең таралған HI және HII-ден айырмашылығы, HIII тек шашыраңқы таксономиялық таралумен бірнеше организмдерде кездеседі; ол археяларда көбірек таралған және HI-мен бірге прокариоттық геномда сирек немесе ешқашан табылмайды.
Механизм
Келесі барлық H RNase-лердің белсенді орындарында DEDD мотиві деп аталатын төрт теріс зарядталған аминқышқыл қалдықтары кездеседі; көбінесе гистидин де болады, мысалы, HIV-1, адам немесе E. coli-де. Эксперименттік деректер мен компьютерлік модельдеулерге сүйенсек, фермент консервацияланған гистидин арқылы металл иондарының біріне байланысқан су молекуласын белсендіреді. Өту күйі ассоциативті сипатқа ие және протонды фосфат пен депротонды алкоксид тобынан тұратын аралық құрылымды қалыптастырады.
Аурудың пайда болуындағы рөлі
Кішігірім зерттеулерде адам RNase H1 мутациялары митохондриялық аурудың жиі кездесетін белгісі – созылмалы прогрессивті сыртқы офтальмоплегиямен байланысты. АГС симптомдары туа біткен вирустық инфекция симптомдарына ұқсас және I типті интерферонның қате реттелуімен байланысты. АГС басқа гендердегі мутациялардың салдарынан да туындауы мүмкін: TREX1, SAMHD1, ADAR және MDA5/IFIH1, бәрі де нуклеин қышқылын өңдеуге қатысады. АГС пациенттері арасындағы мутациялардың таралуын зерттеу нәтижесінде, барлық АГС мутацияларының 5% RNASEH2A генінде, 36% 2B генінде және 12% 2C генінде табылды. Вирустардың екі тобы тіршілік циклінің бір бөлігі ретінде кері транскрипцияны пайдаланады: ретровирустар, олар геномдарын бір тізбекті РНК түрінде кодтайды және екі тізбекті ДНК аралық арқылы көбейеді; және dsДНК RT вирустары, олар екі тізбекті ДНК геномдарын РНК «прегеном» аралық арқылы көбейтеді. Патогенді мысалдарға адам иммуножеткіліксіздік вирусы (ВИЧ) және гепатит B вирусы жатады. Екеуі де RNase H домендерін қамтитын үлкен, көп функциялы кері транскриптаза (RT) ақуыздарын кодтайды. ВИЧ-1 және егешкі лейкемия вирусының ретровирустық RT ақуыздары отбасының ең жақсы зерттелген мүшелері болып табылады. Ретровирустық RT вирустың бір тізбекті РНК геномын екі тізбекті ДНК-ға түрлендіруге жауапты. Бұл процесте үш қадам қажет: бірінші, РНК-ға тәуелді ДНК полимеразасы плюс тізбекті РНК матрицасынан минус тізбекті ДНК-ны жасайды, нәтижесінде РНК:ДНК гибридтік аралық пайда болады; екінші, РНК тізбегі жойылды; үшінші, ДНК-ға тәуелді ДНК полимеразасы плюс тізбекті ДНК-ны синтездейді, соңғы өнім ретінде екі тізбекті ДНК пайда болады. Бұл процестің екінші қадамын RT ақуызының С-ұшында орналасқан RNase H домені жүзеге асырады. RNase H үш түрлі кесу әрекетін орындайды: плюс тізбекті РНК геномның ерекше емес деградациясы, минус тізбекті tRNA праймерін нақты жою және плюс тізбекті пуринге бай полипурин трактісінің (PPT) праймерін жою. RNase H плюс тізбекті бастауға қатысады, бірақ жаңа праймер тізбегін синтездеудің дәстүрлі әдісінде емес. Керісінше, RNase H RNase H кесуіне төзімді PPT-дан «праймер» жасайды. PPT-дан басқа барлық негіздерді жою арқылы PPT ұзын терминалдық қайталаманың U3 аймағының соңына маркер ретінде қолданылады. RT полимеразалық функциясын тежейтін кері транскриптаза ингибиторлары кеңінен клиникалық қолданыста, бірақ RNase H функциясын тежейтін ингибиторлар жоқ; бұл ВИЧ-тың кодтайтын жалғыз ферменттік функциясы, ол клиникалық қолданыстағы дәрілермен әлі мақсаттандырылмаған.
Эволюция
РНАза H кеңінен таралған және тіршілік әлемінің барлық салаларында кездеседі. Бұл отбасы нуклеаза ферменттерінің үлкен суператасының құрамына кіреді. Прокариоттық геномдарда бірнеше РНАза H гендері жиі кездеседі, бірақ HI, HII және HIII гендерінің кездесуі мен жалпы филогенетикалық байланыстар арасында айтарлықтай корреляция байқалмайды, бұл гендердің көлденең жолмен берілуі осы ферменттердің таралуын қалыптастыруда рөл атқарған болуы мүмкін. РНАза HI және HIII бір прокариоттық геномда сирек немесе ешқашан кездеспейді. Егер организмнің геномында бірнеше РНАза H гендері болса, олардың активтілік деңгейлерінде маңызды айырмашылықтар болуы мүмкін. Бұл байқаулар РНАза H гендері арасындағы функционалдық қайталануды азайтатын эволюциялық үлгіні көрсетеді. Эукариоттардағы РНАза H2 эволюциялық жолы, әсіресе эукариоттық гомологтардың міндетті гетеротримерлерге қалай айналғанының механизмі әлі анық емес; B және C суббірліктерінің прокариоттарда анық гомологтары жоқ. Байқау үшін беттік плазмондық резонанс сияқты жоғары сезімтал әдістерді қолдануға болады. РНАза HII Оказаки фрагментінің РНК праймерлік бөлігін деградациялауға немесе рибонуклеотидтерді қамтитын позицияларда бір тізбекті жарылымдарды енгізуге қолданылуы мүмкін. Маңыздысы, жиі қолданылатын рибонуклеаза тежегіш протеині HI немесе HII активтілігін тежеуге тиімді емес. РНАза H активтілігі алғашқы вирустық кері транскрипция зерттеулері кезінде E. coli және РНК геномдары бар онковирустардың үлгісінде анықталды. Кейіннен бұзаудың тимус экстрактында РНАза H активтілігі бар бірнеше протеин бар екені және E. coli-де екі РНАза H гені бар екені анықталды. Бастапқыда қазір эукариоттарда РНАза H2 деп белгілі фермент H1 деп аталды және керісінше, бірақ эукариоттық ферменттердің атаулары салыстырмалы талдауды жеңілдету үшін E. coli-дегі атаулармен үйлестірілді, нәтижесінде прокариоттық ферменттер римдік сандармен, ал эукариоттық ферменттер араб сандарымен белгіленетін қазіргі номенклатура пайда болды. 1999 жылы хабарланған прокариоттық РНАза HIII – соңғы анықталған РНАза H субтипі. S. cerevisiae-дегі E. coli протеинінің гомологы (яғни H2A суббірлігі) ашытқы геномы секвенцияланғанда биоинформатикалық әдіспен оңай анықталды, бірақ тиісті протеиннің оқшауланған ферменттік активтілігі жоқ екені анықталды. Алайда, ашытқының B және C суббірліктері басқа организмдердегі гомологтарымен өте төмен реттілік сәйкестікке ие, ал сәйкес келетін адам протеиндері тек үш протеинде де Аикарди-Гутьерес синдромын тудыратын мутациялар анықталғаннан кейін ғана нақты анықталды.