Кіріспе

Нуклеотидтік тізбекті кесетін ферменттер

Молекулалық биологияда эндонуклеазалар – полинуклеотидтік тізбектегі (яғни ДНК немесе РНК) фосфодиэстерлік байланысты кесетін ферменттер. Кейбіреуі, мысалы, дезоксирибонуклеаза I, ДНК-ны салыстырмалы түрде ерекшеленбей (тізбекке қарамастан) кесіп алады, ал көптеген, әдетте шектеу эндонуклеазалары немесе шектеу ферменттері деп аталады, тек өте нақты нуклеотидтік тізбектерде ғана кеседі. Эндонуклеазалар экзонуклеазалардан ерекшеленеді, олар ортаңғы (эндо) бөлігінің орнына тану тізбектерінің ұштарын кеседі. Дегенмен, "экзоэндонуклеазалар" деп аталатын кейбір ферменттер екі нуклеаза функциясымен де шектелмейді, эндо және экзо сияқты қасиеттерді көрсетеді. Деректер эндонуклеаза активтілігі экзонуклеаза активтілігіне қарағанда кешігеді. Шектеу ферменттері – белгілі бір ДНК тізбектерін танитын эубактериялар мен археялардың эндонуклеазалары. Шектеу ферментінің кесу үшін танитын нуклеотидтік тізбегі шектеу орны деп аталады. Әдетте, шектеу орны шамамен төрт-алты нуклеотидтің ұзындығы бар палиндромдық тізбек болады. Көптеген шектеу эндонуклеазалары ДНК жіптерін теңсіз кеседі, нәтижесінде бір жіпті ұштары пайда болады. Бұл ұштары гибридтеу арқылы қайта қосылуы мүмкін және "жабысқақ ұштар" деп аталады. Жұптасқаннан кейін фрагменттердің фосфодиэстерлік байланыстары ДНК лигазасымен қосылуы мүмкін. Белгілі жүздеген шектеу эндонуклеазалары бар, олардың әрқайсысы әртүрлі шектеу орнына шабуыл жасайды. ДНК-ның бір эндонуклеазамен кесілген фрагменттері ДНК-ның шығу тегіне қарамастан біріктірілуі мүмкін. Мұндай ДНК рекомбинантты ДНК деп аталады; гендердің жаңа комбинацияларға қосылуы арқылы қалыптасқан ДНК. Шектеу эндонуклеазалары (шектеу ферменттері) олардың әрекет ету механизміне сәйкес I, II және III типті болып үшке бөлінеді. Бұл ферменттер көбінесе бактериялық, өсімдік немесе жануарлар жасушаларына енгізу үшін рекомбинантты ДНК жасау үшін, сондай-ақ синтетикалық биологияда генетикалық инженерияда қолданылады. Ең танымал эндонуклеазалардың бірі – Cas9.

Санаты

Ақырында, нақты тізбектерді кесуге салыстырмалы үлес қосатын шектеу эндонуклеазаларының үш санаты бар. I және III типтері – эндонуклеаза және метилаза белсенділіктерін қамтитын үлкен көпбұрышты кешендер. I типті эндонуклеаза танымдық тізбектен шамамен 1000 немесе одан да көп базалық жұптар қашықтықтағы кездейсоқ жерлерде кесуге қабілетті және энергия көзі ретінде АТФ қажет. II типті эндонуклеаза сәл өзгеше жұмыс істейді және алғаш рет 1970 жылы Гамильтон Смитпен оқшауланды. Олар эндонуклеазалардың қарапайым түрі болып табылады және ыдырау процесінде АТФ қажет етпейді. II типті шектеу эндонуклеазаларының мысалдары: BamHI, EcoRI, EcoRV, HindIII және HaeIII. III типті эндонуклеаза, керісінше, танымдық тізбектен шамамен 25 базалық жұп қашықтықта ДНК-ны кеседі және процесте АТФ қажет. Олардың атаулары "VwxyZ" форматында болады, мұнда "Vwx" – бұл эндонуклеаза табылатын туыстың бірінші әрпі және түрдің алғашқы екі әрпі, мысалы, Escherichia coli үшін Eco, ал Haemophilus influenzae үшін Hin. Бұдан кейін, міндетті емес, курсив емес "y" символы келеді, ол түрді немесе штаммды көрсетеді, мысалы, EcoR – E. coli штаммдары үшін, RTF 1 дәріге төзілдіруші факторды алып жүретін штамм, ал Hind – H. influenzae d штаммы үшін. Шектеу эндонуклеазалары бірнеше типке бөлінеді. Әдетте, шектеу эндонуклеазасына тану орны және кесу үлгісі (әдетте нуклеотидтік базалар: A, C, G, T) қажет. Егер тану орны кесу үлгісінің аймағынан тыс болса, онда бұл эндонуклеаза I типті деп аталады. Егер тану тізбегі кесу тізбегімен сәйкес келсе, онда бұл эндонуклеаза II типті шектеу ферменті болып табылады.

Эндонуклеазаларға қатысы бар процестер

Эндонуклеазалар тіршілік биологиясының көптеген жақтарында маңызды рөл атқарады. Төменде эндонуклеазалардың шешуші рөл ойнайтын бірнеше процесс мысалы келтірілген.

ДНҚ-ны жөндеу

Эндонуклеазалар ДНК жөндеуде маңызды рөл атқарады. АП эндонуклеазасы, нақтырақ айтқанда, АП орындарында ғана ДНК-ны кесу реакциясын катализдейді, осылайша ДНК-ны келесі кесу, жөндеу синтезі және ДНК-ны біріктіру процестеріне дайындайды. Мысалы, депуринизация болғанда, бұл зақымдану базасы жоқ дезоксирибоза қантын қалдырады. АП эндонуклеазасы осы қантты таниды және осы орында ДНК-ны кесіп, ДНК жөндеуінің жалғасуына мүмкіндік береді. E. coli жасушаларында екі АП эндонуклеазасы бар: IV эндонуклеаза (эндоIV) және III экзонуклеаза (экзоIII), ал эукариоттарда тек бір АП эндонуклеазасы бар.

ДНҚ-ның қиылысуын жөндеу

ДНҚ жөндеуінде екі толықтырғыш тізбекті жіп аралық ковалентті байланыс арқылы біріктірген жағдайда, тізбектерді бөліп, зақымды жою үшін бірнеше кесулер қажет. Бұл кесулер байланыс екі жағынан да, ДНҚ тізбегінің екі бағытынан да жасалуы керек. Егешқұйрықшаның эмбриондық сақтау жасушаларында, байланысты жөндеудің аралық кезеңі екі тізбектің үзілуін қамтиды. MUS81/EME1 – ДНҚ көбейгіштігіне тәуелді түрде жіп аралық байланыстарды екі тізбектің үзілуіне айналдыратын құрылымдық эндонуклеаза. Эндонуклеаз V алдымен пиримидин димерінің 5’ жағындағы гликозидтік байланысты үзеді, содан кейін димердің екі нуклеотидін бастапқыда байланыстырған ДНҚ фосфодиэстерлік байланысын катализдейді. Жөндеу процесінің келесі қадамдары димер қалдықтарын жоюды және нәтижесінде пайда болған бір тізбектік саңылауды зақымдалмаған тізбекті үлгі ретінде пайдаланып, толықтыру үшін жөндеу синтезін қамтиды.

Апоптоз

Апоптоз кезінде DFF40 апоптотикалық эндонуклеазасы жасушаның бақыланатын құралуын бастау үшін белсендіріледі. Бұл құлдырау геномдық ДНК-ның нақты фрагменттерге бөлінуімен сипатталады. Эндонуклеазалардың осы оқиғадағы нақты міндеті – ДНК-ны белгілі бір жерлерде кесіп, анықталған ұзындықтағы фрагменттерді құру. Бұл фрагменттер кейін апоптоздық денелерге жиналады, бұл өліп бара жатқан жасушаның қабынуға немесе жақын жасушалардың зақымдануына себеп болмай, таза және тиімді жойылуын қамтамасыз етеді.

ДНҚ репликациясы

Flap endonuclease 1 (FEN1) және Dna2 эндонуклеазасы артта қалған жіпте ДНК репликациясының маңызды бөлігі болып табылады, олар праймерді жою және Оказаки фрагменттерін өңдеу сияқты шешуші процестерге қатысады. Эндонуклеазалар осы фрагменттерді олардың арасындағы фосфодиэстерлік байланыстарды кесу арқылы өңдеуге белсенді түрде қатысады. Бұл процесс Оказаки фрагменттерінің үздіксіз синтезі мен бірігуіне қажетті, жаңа репликацияланған ДНК тізбегінің жалпы үзділігіне үлес қосады.

РНК өңдеу

Эндонуклеазалар, әсіресе эндорибонуклеазалар, РНК өңдеуде маңызды рөл атқарады, бұл гендік экспрессияның негізгі қадамы. Бұл процесте эндонуклеазалардың бағыттылуымен алдын-ала РНК молекулаларының дәл тілінуі жүзеге асырылады, нәтижесінде жасушалық әртүрлі функциялар үшін қажетті функционалдық РНК пайда болады. Эндонуклеазалар РНК өңдеу кезінде функционалдық РНК сегменттерінің шекараларын анықтай отырып, алдын-ала РНК-ны белгілі бір участаларда іріктеп тіледі. РНК өңдеудің нәтижесі – трансферлік РНК (тРНК) және рибосомалық РНК (рРНК) сияқты функционалдық РНК молекулаларының түзілуі. Эндонуклеазалар осы процестің дәлдігіне үлес қосады, толыққан және функционалды РНК түрлерінің қалыптасуын қамтамасыз етеді. RNase P және tRNase Z (ELAC2) сияқты эндонуклеазалар, протеин синтезі кезінде дәл аударма үшін маңызды, алдын-ала тРНК-ны толыққан, функционалдық тРНК-ға айналдырады. Рибосома биогенезінде RNase III тобының эндонуклеазалары, мысалы DROSHA, алдын-ала рРНК-ны өңдеуге қатысады, бұл функционалдық рибосомалардың құрастырылуына көмектеседі. Сондай-ақ, RNase III тобының мүшелері DICER және DROSHA да пре-миРНК-ны функционалдық миРНК-ға өңдеу процесінде рөл атқарады.

Тырнақ пен шаштың пісіп жетілуі

Эндонуклеаза DNase1L2 шаш пен тырнақ қалыптасу кезінде ДНК-ны жоюға да маңызды үлес қосады. Бұл процесс шаш және тырнақ құрылымдарының пісіп жетілуі үшін қажетті, сондай-ақ жасушалардың берік және кератинделген құрылымдарға айналуына, шаш пен тырнақтың күші мен сақталуына ықпал етеді.

Мутация

Ксеродерма пигментоза - сирек кездесетін, аутосомалық рецессивті ауру, ол UV-спецификалық эндонуклеазаның бұзылуынан туындайды. Мутациясы бар пациенттер күн сәулесінен туындаған ДНК зақымдануын жөндеуге қабілетсіз. Жалпақ қан анемиясы - нүктелік мутация нәтижесінде пайда болатын ауру. Мутация салдарынан өзгерген тізбек нуклеотидтік тізбекті танитын MstII рестрикциялық эндонуклеазасының тану орнын жояды. тРНК тілімін эндонуклеазасының мутациялары понтоцеребеллярлық гипоплазияға себеп болады. Понтоцеребеллярлық гипоплазиялар (ПЦГ) – тРНК тілімін эндонуклеаза кешенінің төрт түрлі кішібірлігінің үшiнде мутациялар туындаған, нейродегенеративті аутосомалық рецессивті аурулар тобы.