Кіріспе
Белгілі бір химиялық реакцияны орындай алатын ДНК олигонуклеотидтері. Дезоксирибозимдер, сондай-ақ ДНК ферменттері, ДНКзимдер немесе катализдік ДНК деп аталатын бұл молекулалар, белгілі бір химиялық реакцияны орындауға қабілетті ДНК олигонуклеотидтері болып табылады, көбінесе, бірақ әрқашан катализдік емес. Бұл басқа биологиялық ферменттердің, мысалы, ақуыздардың немесе рибозимдердің (РНК-дан құралған ферменттер) әрекетіне ұқсас. Алайда, биологиялық жүйелерде ақуыз ферменттерінің көптеп кездесуіне және 1980 жылдары биологиялық рибозимдердің табылуына қарағанда, табиғи түрде пайда болатын дезоксирибозимдер туралы деректер аз. Дезоксирибозимдерді ДНК аптамерлерімен шатастыруға болмайды, олар мақсатты лигандты таңдап байланыстыратын, бірақ одан кейінгі химиялық реакцияны катализдемейтін олигонуклеотидтер. Рибозимдерден басқа, жасушалардағы нуклеин қышқылының молекулалары негізінен генетикалық ақпаратты сақтау үшін қызмет етеді, себебі олардың қосымша негіздерді жұптастыру қабілеті генетикалық ақпаратты жоғары дәлдікпен көшіруге және беруге мүмкіндік береді. Керісінше, нуклеин қышқылының молекулалары ақуыз ферменттерімен салыстырғанда, катализдік қабілеттерімен шектеледі, тек үш түрлі өзара әрекеттесуге: сутекті байланысқа, пи-қаптамаға және металл иондарының координациясына. Бұл нуклеин қышқылының мономерлерінің функционалдық топтарының шектеулі санына байланысты: ақуыздар әртүрлі функционалдық топтары бар жиырмаға дейін әртүрлі аминқышқылдарынан құралған, ал нуклеин қышқылы тек химиялық жағынан ұқсас төрт нуклеобазадан тұрады. Сонымен қатар, ДНК-да РНК-да кездесетін 2' гидроксил тобы болмайды, бұл тіпті рибозимдермен салыстырғанда дезоксирибозимдердің катализдік тиімділігін төмендетеді. ДНК-ның катализдік белсенділігінің өзіндік кемшілігіне қоса, табиғи түрде кездесетін дезоксирибозимдердің сирек кездесуі биологиялық жүйелерде ДНК-ның басым қос спиральді құрылымымен де байланысты болуы мүмкін, бұл оның физикалық икемділігін және үшіншілік құрылымдарды қалыптастыру қабілетін шектейді, соның салдарынан қос спиральді ДНК-ның катализатор ретінде әрекет ету мүмкіндігі күрт төмендейді.
Deoxyribozymes, also called DNA enzymes, DNAzymes, or catalytic DNA, are DNA oligonucleotides that are capable of performing a specific chemical reaction, often but not always catalytic. This is similar to the action of other biological enzymes, such as proteins or ribozymes (enzymes composed of RNA). However, in contrast to the abundance of protein enzymes in biological systems and the discovery of biological ribozymes in the 1980s,
there is only little evidence for naturally occurring deoxyribozymes. Deoxyribozymes should not be confused with DNA aptamers which are oligonucleotides that selectively bind a target ligand, but do not catalyze a subsequent chemical reaction. With the exception of ribozymes, nucleic acid molecules within cells primarily serve as storage of genetic information due to its ability to form complementary base pairs, which allows for high fidelity copying and transfer of genetic information. In contrast, nucleic acid molecules are more limited in their catalytic ability, in comparison to protein enzymes, to just three types of interactions: hydrogen bonding, pi stacking, and metal ion coordination. This is due to the limited number of functional groups of the nucleic acid monomers: while proteins are built from up to twenty different amino acids with various functional groups, nucleic acids are built from just four chemically similar nucleobases. In addition, DNA lacks the 2' hydroxyl group found in RNA which limits the catalytic competency of deoxyribozymes even in comparison to ribozymes. In addition to the inherent inferiority of DNA catalytic activity, the apparent lack of naturally occurring deoxyribozymes may also be due to the primarily double stranded conformation of DNA in biological systems which would limit its physical flexibility and ability to form tertiary structures, and so would drastically limit the ability of double stranded DNA to act as a catalyst;
РНҚ лигазалары
Ерекше қызығушылық тудыратыны – ДНК лигазалары және ДНК-ны кесу.
in vitro іріктеу
Табиғи түрде кездесетін дезоксирибозимдер болмағандықтан, белгілі дезоксирибозим тізбектерінің көпшілігі SELEX-ке ұқсас жоғары өнімділіктегі in vitro іріктеу әдісі арқылы табылды. In vitro іріктеуде белгілі бір каталитикалық активтілікке сәйкес скринингтен өте алатын көптеген кездейсоқ ДНК тізбектерінен (“қойылма”) пайдаланылады (әдетте 1014–1015 бірегей жіп). Қойылма қатты фазалық синтез арқылы синтезделеді, сондықтан әрбір жіптің екі тұрақты аймағы (PCR күшейту үшін праймер байланысу орындары) белгілі бір ұзындықтағы кездейсоқ аймақтың екі жағынан орналасады, әдетте 25–50 негіздік. Осылайша, тізбек кеңістігі деп аталатын бірегей жіптердің жалпы саны 4N тең, мұнда N кездейсоқ аймақтағы негіздердің санын көрсетеді. 425 ≈ 1015 болғандықтан, 25 негізден кем ұзындықтағы кездейсоқ аймақтарды таңдаудың ешқандай мағынасы жоқ, ал одан да көп негіздерді таңдау тізбек кеңістігін толық зерттеуге мүмкіндік бермейді. Дегенмен, тізбек кеңістігінде берілген каталитикалық реакцияға көптеген потенциалды кандидаттар бар болғандықтан, 50 және одан да жоғары ұзындықтағы кездейсоқ аймақтар сәтті каталитикалық дезоксирибозимдерді тудырды, бұл олигонуклеотидтердің мақсатты молекулалармен бәсекелестік байланысқа қалай түсетінін және эволюциялық нәтижені параметрлерді нақты реттеу арқылы қалай жақсартуға болатынын көрсетеді. In vitro іріктеу арқылы алынған дезоксирибозимдер тұз концентрациясы, pH және кофакторлардың болуы сияқты іріктеу кезіндегі жағдайларға сәйкес оңтайландырылады. Осы себепті, каталитикалық активтілік тек белгілі бір кофакторлардың немесе басқа жағдайлардың болуы кезінде ғана оң таңдау қадамдары және басқа да қажетсіз жағдайларға қарсы теріс таңдау қадамдарын қолдану арқылы қол жеткізіледі.
in vitro эволюциясы
Жаңа дезоксирибозимдер алудың осыған ұқсас әдісі – in vitro эволюция. Бұл термин көбінесе in vitro іріктеумен шатастырылып қолданылса да, in vitro эволюция бастапқы олигонуклеотидтер жиыны генетикалық рекомбинация немесе нүктелік мутациялар арқылы келесі кезеңдерде генетикалық түрленуге ұшырайтын сәл өзгеше процедураны білдіреді. Каталитикалық емес алдынғы заттан каталитикалық ДНҚ-ның алғашқы сәтті эволюциясы РНК әлемінің гипотезасын қуаттауы мүмкін. Соңғы зерттеулердің бірінде РНК лигазасы рибозимі, рибозимнің белсенді емес дезоксирибо аналогының in vitro эволюциясы арқылы дезоксирибозимге айналдырылды. Жаңа РНК лигаза дезоксирибозимінде бар болғаны он екі нүктелік мутация болды, олардың екеуі белсенділікке әсер етпеді, ал каталитикалық тиімділігі бастапқы рибозимнің шамамен 1/10-ын құрады, бірақ зерттеушілер одан әрі іріктеу арқылы белсенділікті арттыруға болатынын болжады. Әр түрлі нуклеин қышқылдары арасындағы функциялық қабілеттердің ауысуына қатысты алғашқы дәлелдер РНК әлеміне дейінгі әртүрлі гипотезаларды қолдауы мүмкін.
"Нағыз" катализатор ма?
Көптеген дезоксирибозимдер өнімді тежеуден зардап шегеді де, осылайша бір реттік айналымға ие болады. Сондықтан кейде дезоксирибозимдер "нағыз" каталитикалық қасиеттерді көрсетпейді делінеді, себебі олар көптеген биологиялық ферменттер сияқты көп реттік айналым катализіне қабілетсіз. Дегенмен, катализатордың жалпы анықтамасы бойынша, зат химиялық реакция кезінде өзі тұтынылмай, реакция жылдамдығын арттыруы керек (яғни, химиялық тұрғыдан өзгермейді және қайта қолданылуы мүмкін). Осы анықтамаға сәйкес, бір реттік айналымға ие дезоксирибозимдер де катализатор болып табылады. Бірнеше зерттеулер ДНК ферменттерін пайдаланып, А және В инфлюенция вирустарының жасушалардағы көбеюін тежеуге болатынын көрсетті. Сондай-ақ, ДНК ферменттері SARS коронавирусы (SARS CoV) және HCV вирусының көбеюін тежейтіндігі де анықталды.
Дәрілік клиникалық сынақтар
Астма – 2-типті Т-клеткасының (Th2) әсерінен туындаған эозинофилдік қабынумен сипатталатын жағдай. Th2 жолының транскрипция факторы GATA3-ті ДНК-ферменттерімен бағыттау арқылы қабынуды басуға болады. SB010 жаңа 10-23 ДНК-ферментінің қауіпсіздігі мен тиімділігі бағаланып, IIa фазалық клиникалық сынақтарда GATA3 хабаршы РНК-ны кесіп, белсенділігін жоюға қабілетті екені анықталды. SB010-мен емдеу аллергиялық астмасы бар ер адамдарда аллергеннің күшеюінен кейін болатын кеш және ерте астмалық реакцияларды айтарлықтай азайтты. Транскрипция факторы GATA3, сондай-ақ, ойық ішек қабынуының (UC) жаңа терапиялық стратегиясы үшін ДНК-ферменті SB012 жергілікті формуласының маңызды нысаны болып табылады. UC – асқазан-ішек жолының созылмалы, қайталамалы қабынуымен сипатталатын, негізінен ірі ішекті зақымдайтын және беткі, үздіксіз шырышты қабынумен көрінетін этиологиясы белгісіз ішек аурулары. Қазіргі UC емдеуіне тиімді жауап бермейтін науқастарда ауыр қиындықтар туындайды, олардың бірі – колоректальды хирургияға қажеттілік, бұл өмір сапасын нашарлатады. Сондықтан, орташа немесе ауыр UC-мен ауыратын науқастар осы жаңа терапиялық баламалардан айтарлықтай пайда көре алады, олардың ішінде SB012 I фазалық клиникалық сынақтарда қарастырылуда. Атопиялық дерматит (AD) – созылмалы қабынулы тері ауруы, онда науқастар экземадан, әдетте зардап шеккен теріде қышынудан, сондай-ақ асқынулар мен екінші инфекциялардан күйзеледі. AD Th2 модификацияланған иммундық реакциялардың күшеюінен пайда болады, сондықтан GATA3-ті бағыттайтын ДНК-ферменттерін қолданатын жаңа AD тәсілі мүмкін емдеу опциясы болып табылады. Қазіргі уақытта жергілікті қолданылатын SB011 ДНК-ферменті II фазалық клиникалық сынақтарда. Сонымен қатар, қатерлі ісіктерді емдеу үшін ДНК-ферменттерін зерттеу жұмыстары жүргізілуде. IGF I экспрессиясын (инсулиндік өсу факторы I, жасушалардың қалыпты өсуіне, сондай-ақ ісік пайда болуына ықпал ететін фактор) оның мРНК-сын бағыттау арқылы тоқтатуға қабілетті 10-23 ДНК-ферментін жасау, простатаның бастапқы жасушаларынан IGF I секрециясын тоқтатып, нәтижесінде простата ісігінің дамуын тежеуге көмектеседі. Бұдан өзге, бұл ем арқылы бауырдағы IGF I-нің (серум IGF I-нің негізгі көзі) ингибициялануы арқылы бауыр метастаздарының да тежелуі күтіледі. Минесота штатындағы Сент-Пол қаласының мемлекеттік мектептеріндегі судағы қорғасын ионын анықтау үшін ДНК-ферменттеріне негізделген биосенсор қолданылды. Сонымен қатар, ДНК-ферменттері аптамерлермен және нуклеин қышқылы биорецепторларымен бірге мультиплексті биологиялық талдау жасау үшін пайдаланылды.
Асимметриялық синтез
Хиралдылық - ДНК ферменті пайдалана алатын тағы бір қасиет. ДНҚ табиғатта оң жақты екі спираль түрінде кездеседі, ал асимметриялық синтезде хиральды катализатор ахиральды заттан хиральды молекулаларды синтездеуде бағалы құрал болып табылады. Бір қолданыста, жасанды ДНҚ катализаторы аралық байланыс арқылы мыс ионын қосып дайындалды. Мыс-ДНҚ кешені циклопентадиен мен аза-халкон арасында суда Диелс-Альдер реакциясын катализдеді. Реакция нәтижелері (эндо және экзо) 50% енантиомерлік артықшылықпен кездесті. Кейіннен 99% енантиомерлік артықшылық тудыруға болатыны және реакция жылдамдығы мен энантиоселективтіліктің ДНҚ тізбегімен байланысты екені анықталды.
hGQ DNAzyme- мен биоконъюгациялау
Гемин/G Quadruplex ДНК-зымы гемин кофакторын (ә.ә. Fe(III)Протопорфирин IX) байланыстыра алатын G Quadruplex құрайтын ДНК-дан тұрады, бұл сутек пероксидінің қатысуында белгілі бір тотығу реакциясын жүзеге асыратын кешенді қалыптастырады. Бұл ДНК-зымы допамин және аденозин трифосфаты сияқты шағын молекулаларды тотықтыра алады, сонымен қатар шағын молекулаларды қосып пептидтер мен белоктарды модификациялау үшін де қолданылуы мүмкін.
Басқа қолданыстар
ДНҚ химияда басқа да қолданыс алады, мысалы ДНҚ матрицалық синтез, энантиоселективті катализ, ДНҚ наносымдар және ДНҚ есептеуі.