Кіріспе
RecA – ДНК-ны жөндеуге қажетті 38 килодальтондық ақуыз, ДНК-ның жөнделуі мен сақталуы үшін маңызды. RecA құрылымдық және функционалдық гомологы кез келген түрде табылды және бұл сыныптағы гомологты ДНК жөндеу ақуыздарының прототипі ретінде қызмет етеді. Эукариоттардағы гомологты ақуыз RAD51, ал археяларда RadA деп аталады. RecA-ның бірнеше функциясы бар, олардың барлығы ДНК-ны жөндеумен байланысты. Бактериялық SOS-жауабы кезінде ол LexA репрессоры мен λ репрессорының автокатализдік ыдырауында копротеаздық функцияны атқарады. RecA-ның ДНК-ны жөндеумен байланысы гомологтық рекомбинациядағы орталық роліне негізделген. RecA ақуызы ssDNA-мен күшті және ұзын тізбектерде байланысып, нуклеопротеин жіпшесін құрайды. Ақуызда бірнеше ДНК байланысу орындары бар, сондықтан ол бір жіпті және екі жіпті ДНК-ны бірге ұстай алады. Бұл мүмкіндік ДНК-ның екі спиралі мен бір жіпті ДНК-ның толыққанды бөлігі арасында ДНК-синапстық реакцияны катализдеуге мүмкіндік береді. RecA ssDNA жіпшесі dsDNA бойымен реттілік ұқсастығын іздейді. RecA-дағы Loop 2 -дегі ретсіз ДНК циклдары ДНК-ның гомологтық рекомбинациясына жауапты қалдықтарды қамтиды. Кейбір бактерияларда RecA-ның Loop 2-дегі серин қалдығының фосфорилирленуі арқылы посттрансляциялық модификациясы гомологтық рекомбинацияға кедергі келтіруі мүмкін. Іздеу процесі ДНК дуплексінің созылуын тудырады, бұл реттілік толықтығын анықтауды жақсартады (конформациялық түзету деп аталатын механизм). Реакция екі рекомбинацияланатын ДНК-ның екі спиралі арасында жіптердің алмасуын бастайды. Синапс оқиғасынан кейін гетеродуплекс аймағында тармақ көшірілуі деп аталатын процесс басталады. Тармақ көшірілуінде бір жіптің жұпталмаған аймағы екінші жіптің жұпталған аймағын ығыстырып, негіз жұптарының жалпы санын өзгертпей, тармақ нүктесін жылжытады. Бірақ, спонтанды тармақ көшірілуі болуы мүмкін, бірақ ол әдетте екі бағытта да тең жүреді, сондықтан рекомбинацияны тиімді аяқтау ықтимал емес. RecA ақуызы бір бағытты тармақ көшірілуін катализдейді, соның арқасында рекомбинацияны аяқтауға болады, нәтижесінде мыңдаған негіз жұптарынан тұратын гетеродуплексті ДНК аймағы пайда болады. ДНК-ға тәуелді АТФаза болғандықтан, RecA АТФ-ты байланыстыру және гидролиздеу үшін қосымша орынға ие. RecA АДФ байланысқан кезде, АТФ байланысқан кезде ДНК-мен күштірек байланысады. Escherichia coli-де RecA-ның қатысуымен гомологтық рекомбинация оқиғалары ДНК репликациясынан кейін, бауырлас локустар жақын болған кезде жүруі мүмкін. RecA сонымен қатар E. coli жасушасының қарама-қарсы жартысына бөлінген алыс бауырлас локустар арасында гомологиялық жұптасу, гомологиялық рекомбинация және ДНК-ның бұзылуын қалпына келтіруге көмектесе алады. RecA жетіспейтін E. coli штаммдары молекулалық биология зертханаларында клондау процедуралары үшін пайдалы. E. coli штаммдары көбінесе recA аллелінің мутантын қамтитын генетикалық түрлендіріледі, соның арқасында плазмидтер деп аталатын ДНК-ның хромосомадан тыс сегменттерінің тұрақтылығы қамтамасыз етіледі. Трансформация деп аталатын процесте плазмидтік ДНК әртүрлі жағдайларда бактериялармен сіңіріледі. Экзогенді плазмидтерді қамтитын бактериялар "трансформанттар" деп аталады. Трансформанттар плазмидті жасуша бөлінуі кезінде сақтайды, оны басқа қолданулар үшін қалпына келтіруге болады. Функционалды RecA ақуызы болмаған жағдайда, экзогенді плазмидтік ДНК бактериялармен өзгертілмейді. Бұл плазмидті бактериялық культуралардан тазарту бастапқы плазмидті жоғары дәлдікпен ПТР арқылы күшейтуге мүмкіндік береді.
RecA is a 38 kilodalton protein essential for the repair and maintenance of DNA. A RecA structural and functional homolog has been found in every species in which one has been seriously sought and serves as an archetype for this class of homologous DNA repair proteins. The homologous protein is called RAD51 in eukaryotes and RadA in archaea. RecA has multiple activities, all related to DNA repair. In the bacterial SOS response, it has a co protease function in the autocatalytic cleavage of the LexA repressor and the λ repressor. RecA's association with DNA repair is based on its central role in homologous recombination. The RecA protein binds strongly and in long clusters to ssDNA to form a nucleoprotein filament. The protein has more than one DNA binding site, and thus can hold a single strand and double strand together. This feature makes it possible to catalyze a DNA synapsis reaction between a DNA double helix and a complementary region of single stranded DNA. The RecA ssDNA filament searches for sequence similarity along the dsDNA. A disordered DNA loop in RecA, Loop 2, contains the residues responsible for DNA homologous recombination. In some bacteria, RecA posttranslational modification via phosphorylation of a serine residue on Loop 2 can interfere with homologous recombination. The search process induces stretching of the DNA duplex, which enhances sequence complementarity recognition (a mechanism termed conformational proofreading). The reaction initiates the exchange of strands between two recombining DNA double helices. After the synapsis event, in the heteroduplex region a process called branch migration begins. In branch migration an unpaired region of one of the single strands displaces a paired region of the other single strand, moving the branch point without changing the total number of base pairs. Spontaneous branch migration can occur, however, as it generally proceeds equally in both directions it is unlikely to complete recombination efficiently. The RecA protein catalyzes unidirectional branch migration and by doing so makes it possible to complete recombination, producing a region of heteroduplex DNA that is thousands of base pairs long. Since it is a DNA dependent ATPase, RecA contains an additional site for binding and hydrolyzing ATP. RecA associates more tightly with DNA when it has ATP bound than when it has ADP bound. In Escherichia coli, homologous recombination events mediated by RecA can occur during the period after DNA replication when sister loci remain close. RecA can also mediate homology pairing, homologous recombination and DNA break repair between distant sister loci that had segregated to opposite halves of the E. coli cell. E. coli strains deficient in RecA are useful for cloning procedures in molecular biology laboratories. E. coli strains are often genetically modified to contain a mutant recA allele and thereby ensure the stability of extrachromosomal segments of DNA, known as plasmids. In a process called transformation, plasmid DNA is taken up by the bacteria under a variety of conditions. Bacteria containing exogenous plasmids are called "transformants". Transformants retain the plasmid throughout cell divisions such that it can be recovered and used in other applications. Without functional RecA protein, the exogenous plasmid DNA is left unaltered by the bacteria. Purification of this plasmid from bacterial cultures can then allow high fidelity PCR amplification of the original plasmid sequence.
Есірткіге қарсы мақсат ретінде әлеуетті
Солтүстік Каролина университетінің Вигл мен Синглтон профессорлары клеткадағы RecA функциясына араласатын шағын молекулалардың жаңа антибиотиктерді жасауға пайдалы екенін көрсетті. Көптеген антибиотиктер ДНК зақымдануына себеп болады, ал барлық бактериялар осы зақымды жөндеу үшін RecA-ға тәуелді, сондықтан RecA ингибиторларын антибиотиктердің токсикалық әсерін күшейту үшін қолдануға болады. Бұған қоса, RecA-ның қызметі антибиотикке қарсы тұрудың пайда болуымен байланысты, ал RecA ингибиторлары бактериялардың дәріге қарсы тұруын кешіктіруге немесе тоқтатуға көмектеседі.
Табиғи түрлендірудегі РЭК рөлі
Река жүйесінің молекулалық қасиеттерін талдау негізінде Кокс деректердің «Река ақуызының негізгі міндеті ДНК-ны жөндеу екеніне нақты дәлел беретінін» айтты. Река ақуызының функциясы туралы тағы бір мақалада Кокс «Река ақуызы рекомбинациялық ДНК жөндеу жүйесінің орталық компоненті ретінде дамыды, ал генетикалық әртүрліліктің пайда болуы кейде пайдалы қосымша өнім ретінде» деген деректерді жинақтады. Табиғи бактериялық трансформация ДНК-ның бір бактериядан екіншісіне (әдетте бір түрге) берілуін және донор ДНК-ның гомологты рекомбинация арқылы қабылдаушы хромосомаға енуін қамтиды, бұл процеске Река ақуызы араласады (Трансформация (генетика) қараңыз). Реканың орталық рөл атқаратын трансформациясы көптеген қосымша ген өнімдерінің экспрессиясына байланысты (мысалы, Bacillus subtilis-те шамамен 40 ген өнімі), олар осы процесті жүзеге асыру үшін өзара әрекеттеседі, бұл ДНК беруге эволюциялық бейімделу екенін көрсетеді. B. subtilis-те берілген ДНК-ның ұзындығы бүкіл хромосоманың үштен біріне дейін, тіпті оның толық көлеміне жете алады. Бактерия экзогенді ДНК-ны өз хромосомасына байланыстыру, қабылдау және рекомбинациялау үшін алдымен «компетенция» деп аталатын арнайы физиологиялық күйге енуі керек (Табиғи компетенция қараңыз). Трансформация прокариоттар әлемінде кең таралған, және қазірге дейін 67 түр трансформацияға қабілетті екені белгілі. Ең жақсы зерттелген трансформация жүйелерінің бірі – B. subtilis. Бұл бактерияда Река ақуызы келіп түсетін бір тізбекті ДНК (ssDNA) пен өзара әрекеттесіп, көзге түсетін жіп тәрізді құрылымдарды құрайды. Бұл Река/ssDNA жіптері компетенция механизмін қамтитын жасуша полюсінен шығып, цитозолға дейін созылады. Река/ssDNA жіптері гомология аймақтарын іздеу үшін резиденттік хромосоманы сканерлейтін динамикалық нуклеофиламенттер деп есептеледі. Бұл процесс келіп түскен ДНК-ны B. subtilis хромосомасындағы сәйкес жерге жеткізеді, онда ақпарат алмасу жүзеге асады. Миход және авторлар Река арқылы жүзеге асырылатын трансформацияның B. subtilis-те, сондай-ақ бірнеше басқа бактерия түрлерінде (мысалы, Neisseria gonorrhoeae, Hemophilus influenzae, Streptococcus pneumoniae, Streptococcus mutans және Helicobacter pylori) ДНК зақымдануының гомологты рекомбинациялық жөндеуіне бейімделу екенін көрсететін дәлелдерді қарастырды. Адамдарды инфекциялайтын патогендік түрлердің жағдайында Река арқылы ДНК зақымдалуын қалпына келтіру, бұл бактериялар иесінің тотығу қорғанысына қарсы тұрғанда айтарлықтай пайда әкелуі мүмкін деген болжам жасалды.