Кіріспе

ДНК-ны бөлетін ферменттер класы. Рестрикциялық фермент, рестрикциялық эндонуклеаза, REase, ENase немесе рестриктаза – молекулалар ішіндегі рестрикциялық сайттар деп аталатын белгілі бір тану орындарында немесе олардың жанында ДНК-ны фрагменттерге бөлетін фермент. Рестрикциялық ферменттер – эндонуклеаза ферменттерінің кең тобының бір классы. Рестрикциялық ферменттер көбінесе бес түрге жіктеледі, олардың құрылымы және ДНК субстратын тану орнында кесіп тастай ма, әлде тану және кесу орындары бір-бірінен бөлек пе, соған қарай ерекшеленеді. ДНК-ны кесу үшін барлық рестрикциялық ферменттер ДНК-ның екі тізбегінің әрқайсысының (яғни, қос спиральдің әрбір қант-фосфат тірегі) арқылы екі тілікке кесіп тастайды. Бұл ферменттер бактериялар мен археяларда кездеседі және жатқан вирустарға қарсы қорғаныс механизмін қамтамасыз етеді. Прокариоттардың ішінде рестрикциялық ферменттер шетелдік ДНК-ны «рестрикциялық қорыту» деп аталатын процесте таңдап кесіп тастайды, ал жақын ДНК прокариоттық ДНК-ны өзгертетін және кесуді тоқтататын модификациялық фермент (метилтрансфераза) арқылы қорғалады. Бұл екі процесс бірге рестрикция-модификация жүйесін құрайды. 3600-нан астам рестрикциялық эндонуклеазалар белгілі, олар 250-ден астам түрлі ерекшеліктерді көрсетеді. Олардың 3000-нан астамы егжей-тегжейлі зерттелді, ал 800-ден астамы коммерциялық түрде қолжетімді. Бұл ферменттер зертханаларда ДНК-ны өзгерту үшін кеңінен қолданылады және молекулалық клондаудың маңызды құралы болып табылады.

Тарих

Рестрикциялық фермент термині бактерияларды жұқтыратын λ фагының зерттелуінен және осы бактериялық фагтың немесе бактериофагтың шектеу және модификациялану құбылысынан туындады. Бұл құбылыс алғаш рет 1950 жылдардың басында Сальвадор Лурия, Жан Вейгл және Джузеппе Бертани зертханаларында жүргізілген жұмыстарда анықталды. Мысалы, E. coli C штаммында жақсы өсетін λ бактериофагы, E. coli K сияқты басқа штаммда өсірілгенде, оның өнімділігі 3-5 есеге дейін төмендеуі мүмкін. Бұл мысалдағы E. coli K иесі шектеуші ие ретінде белгілі және фаг λ-ның биологиялық белсенділігін төмендетуге қабілетті көрінеді. Егер фаг бір штаммда орнықса, оның басқа штаммдарда да өсу қабілеті шектеледі. 1960 жылдары Вернер Арбер мен Мэтью Меселсон зертханаларында жүргізілген жұмыстарда шектеудің фаг ДНК-сының ферментативтік ыдырауынан туындайтыны көрсетілді, сондықтан осы фермент рестрикциялық фермент деп аталды. Арбер мен Меселсон зерттеген рестрикциялық ферменттер I типті рестрикциялық ферменттер болды, олар ДНК-ны тану орнынан алшақ, кездейсоқ түрде ыдыратады. 1970 жылы Гамильтон О. Смит, Томас Келли және Кент Уилкокс Haemophilus influenzae бактериясынан алғашқы II типті рестрикциялық фермент – HindII-ді бөліп алып, сипаттады. Осы типтегі рестрикциялық ферменттер зертханалық жұмыстарда тиімдірек, себебі олар ДНК-ны олардың тану тізбектері орналасқан жерде бөліп алады және молекулалық биология құралы ретінде ең көп қолданылады. Кейіннен Дэниел Натанс және Кэтлин Данна маймыл вирусы 40 (SV40) ДНК-сының рестрикциялық ферменттермен ыдырауы полиакриламид гель электрофорезі арқылы бөлінетін нақты фрагменттерді беретінін көрсетті, осылайша рестрикциялық ферменттерді ДНК-ны карталау үшін де пайдалануға болатынын дәлелдеді. Рестрикциялық ферменттерді ашу және сипаттау жұмысы үшін 1978 жылы физиология немесе медицина саласындағы Нобель сыйлығы Вернер Арберге, Дэниел Натансқа және Гамильтон О. Смитке берілді. Рестрикциялық ферменттерді ашу ДНК-ны манипуляциялауға мүмкіндік берді, бұл рекомбинантты ДНК технологиясының дамуына әкелді, мысалы, диабетпен ауыратын науқастар қолданатын адам инсулині сияқты ақуыздарды кең көлемде өндіруге мүмкіндік тудырды.

Шығу тегі

Шектеу ферменттері, әдетте, ортақ ата-тектен пайда болған және көлденең гендердің тасымалдануы арқылы кеңінен тараған. Сонымен қатар, шектеу эндонуклеазаларының өзімшіл генетикалық элемент ретінде эволюциялағандығына қатысты куәліктер көбейіп келеді.

L түрі

I типті шектеу ферменттері алғаш рет анықталды және алғаш рет екі түрлі штаммда (K 12 және B) *E. coli* бактериясында табылды. Бұл ферменттер тану орнынан кездейсоқ қашықтықта (кем дегенде 1000 бп) өзгеше және кездейсоқ жерден ДНК-ны кеседі. Бұл кездейсоқ орындардағы кесу ДНК транслокациясы процесі арқылы жүзеге асады, бұл ферменттердің молекулалық моторлар екенін көрсетеді. Тану орны асимметриялық және екі бөліктен тұрады – біреуі 3–4 нуклеотидтен, ал екіншісі 4–5 нуклеотидтен, олар 6–8 нуклеотидтен тұратын ерекше емес аралықпен бөлінеді. Бұл ферменттер көпфункционалды және мақсатты ДНК-ның метилирлену статусына байланысты шектеу қорыту және модификациялау қабілетіне ие. Олардың толық белсенділігі үшін S-аденозилметионин (AdoMet), гидролизделген аденозинтрифосфаты (ATP) және магний (Mg2+) иондары қажет. I типті шектеу ферменттері HsdR, HsdM және HsdS деп аталатын үш субұрылымнан тұрады; HsdR шектеу қорыту үшін қажет, HsdM хост ДНК-ға метил топтарын қосу үшін қажет (метилтрансфераза белсенділігі), ал HsdS тану орнының (ДНК-ға байланысу) ерекшелігі үшін маңызды, сондай-ақ шектеу қорыту (ДНК кесілуі) және модификация (ДНК метилтрансферазасы) белсенділігі үшін де қажет. Екі каталитикалық магний ионы (әр мономерден біреуі) қызғылт түсті шарлар ретінде көрсетілген және фермент жасаған ДНК-дағы кесілген орындармен (ДНК тізбегіндегі үзілістер ретінде бейнеленген) жақын орналасқан. II типті шектеу ферменттері I типті шектеу ферменттерінен бірнеше жағынан ерекшеленеді. Олар гомодимерлерді құрайды, олардың тану орындары әдетте бөлінбеген және палиндромды болып келеді, ал ұзындығы 4–8 нуклеотидтен тұрады. Олар ДНК-ны бір орында таниды және кеседі, және олар өз қызметі үшін ATP немесе AdoMet қолданбайды – оларға әдетте кофактор ретінде тек Mg2+ қажет. Бұл ең көп қолданылатын шектеу ферменттері. 1990 жылдары және 2000 жылдардың басында осы ферменттер класының классикалық критерийлеріне толық сәйкес келмейтін жаңа ферменттер табылды, және осы үлкен отбасын II типті ферменттердің типтік ерекшеліктерінен ауытқуларға негізделген кіші топтарға бөлу үшін жаңа кіші отбасы номенклатурасы жасалды. IIS типті шектеу эндонуклеаздары (мысалы, FokI) ДНК-ны палиндромдық емес асимметриялық тану орындарынан белгілі бір қашықтықта кеседі; Бұл ферменттерде бірнеше субұрылым бар және олардың ДНК метилирлеудегі және шектеу қорытудағы рөлі үшін AdoMet және ATP кофакторлары қажет. Олар организмді шетелдік ДНК-ның енуінен қорғайтын прокариоттық ДНК-ның шектеу-модификация механизмдерінің құрамдас бөліктері болып табылады. III типті ферменттер – гетероолигомерлік, көпфункционалды ақуыздар, олар екі субұрылымнан тұрады: Res және Mod. Mod субұрылымы жүйеге тән ДНК тізбесін таниды және модификациялық метилтрансфераза болып табылады; осылайша, ол функционалдық жағынан I типті шектеу эндонуклеазасының M және S субұрылымдарымен тең. Res шектеу қорыту үшін қажет, бірақ оның өзіндік ферменттік белсенділігі жоқ. III типті ферменттер 5–6 бп ұзындықтағы қысқа асимметриялық ДНК тізбектерін таниды және 25–27 бп төменгі ағыста қысқа, бір жіпті 5' шығыңқыларын қалдыру үшін кеседі. Оларда шектеу қорыту үшін кері бағытталған екі метилденбеген тану орнының болуы қажет. Бұл ферменттер ДНК-ның тек бір тізбегін аденоин қалдықтарының N6 позициясында метилирлейді, сондықтан жаңадан репликацияланған ДНК-да тек бір тізбегі метилденген болады, бұл шектеу қорытудан қорғау үшін жеткілікті. III типті ферменттер N6 аденоин метилтрансферазалардың бета-қосалқы туысына жатады, оларда осы отбасына тән тоғыз мотив бар, соның ішінде I мотив, AdoMet байланысу қалтасы (FXGXG) және IV мотив, каталитикалық аймақ (S/D/N(PP)Y/F).

IV типті

IV типті ферменттер өзгертілген, әдетте метилделген ДНК-ны таниды және оның мысалы ретінде E. coli бактериясының McrBC және Mrr жүйелерін келтіруге болады.

V типті

V типті рестрикциялық ферменттер (мысалы, CRISPR-дегі cas9 gRNA кешені)

Жасанды шектеу ферменттері

Жасанды шектеу ферменттерін табиғи немесе жасалған ДНК байланыстыру доменін нуклеаза доменімен (көбінесе II типті шектеу ферменті FokI-нің кесу доменімен) біріктіру арқылы жасауға болады. Мұндай жасанды шектеу ферменттері үлкен ДНК участаларын (36 жұп негізге дейін) таңдап байланыстыра алады және қажетті ДНК тізбегіне байланысу үшін жасалынуы мүмкін. Цинк саусақты нуклеазалар – ең көп қолданылатын жасанды шектеу ферменттері, олар көбінесе генетикалық инженерияда қолданылады, бірақ стандартты генді клондау үшін де пайдаланылуы мүмкін. Басқа жасанды шектеу ферменттері TAL эффекторларының ДНК байланыстыру доменіне негізделген. 2013 жылы геномды өңдеуге арналған прокариоттық вирусқа қарсы қорғаныс жүйесіне негізделген CRISPR Cas9 жаңа технологиясы жасалды және ол зертханаларда жылдам қолданысқа енді. Толығырақ CRISPR (Clustered regularly interspaced short palindromic repeats) туралы оқыңыз. 2017 жылы Иллинойс университетінің тобы Pyrococcus furiosus (PfAgo) бактериясынан алынған Argonaute ақуызын және жетекші ДНК-ны қолданып, ДНК-ны in vitro жағдайында жасанды шектеу ферменттері ретінде өңдегенін хабарлады. РНК үшін шектеу ферменттері ретінде әрекет ететін жасанды рибонуклеазалар да жасалды. PNA негізіндегі PNAzyme деп аталатын жүйеде Cu(II) 2,9 диметилфенантролин тобы бар, ол белгілі бір РНК тізбегі үшін рибонуклеазаларды имитациялайды және фермент РНК-ға байланысқанда пайда болатын мақсатты РНК-ның жұпталмаған аймағында (РНК иілімі) кесіледі. Бұл фермент селективтілігін көрсетеді, тек бір ғана жерде кесіледі, онда сәйкессіздік болмайды немесе екі мүмкін кесу орнынан кинетикалық тұрғыдан артықшылыққа ие болады.

Қолданбалар

Оқшауланған рестрикциялық ферменттер әртүрлі ғылыми қолданыстар үшін ДНҚ-ны манипуляциялауға қолданылады. Олар генді клондау және белок өндіру эксперименттері кезінде плазмидтік векторларға гендерді енгізуге көмектеседі. Оптималды пайдалану үшін, генді клондау үшін жиі қолданылатын плазмидтер қысқа полилинкерлік тізбек (көптік клонирлеу орны немесе MCS) қосып өзгертіледі, ол рестрикциялық ферменттердің тану тізбектеріне бай. Бұл плазмидтік векторға ген фрагменттерін енгізу кезінде икемділікке мүмкіндік береді; гендерде табиғи түрде кездесетін рестрикциялық орындар ДНК-ны қорыту үшін қолданылатын эндонуклеазаның таңдалуына әсер етеді, себебі қажетті ДНК-ның рестрикциялануын болдырмау және ДНК-ның ұштарын қасақана кесу қажет. Ген фрагментін векторға клондау үшін плазмидтік ДНК және гендік кірістірме әдетте бірдей рестрикциялық ферменттермен кесіледі, содан кейін ДНК лигаза аталған ферменттің көмегімен біріктіріледі. Рестрикциялық ферменттер ДНК-дағы бір нуклеотидтік полиморфизмдер (СНП) деп аталатын бір негіздік өзгерістерді ерекше тану арқылы гендік аллельдерді ажырату үшін де қолданылуы мүмкін. Бұл тек SNP аллельдегі рестрикциялық орынды өзгерткенде ғана мүмкін болады. Бұл әдісте рестрикциялық фермент қымбат гендік тізбектеуді қажет етпей, ДНК үлгісін генотиптеу үшін қолданылуы мүмкін. Үлгі алдымен ДНК фрагменттерін алу үшін рестрикциялық ферментпен қорытылады, содан кейін әртүрлі өлшемді фрагменттер гельдік электрофорез арқылы бөлінеді. Жалпы алғанда, дұрыс рестрикциялық орындарға ие аллельдер гельде екі көрінетін ДНК жолағын жасайды, ал өзгертілген рестрикциялық орындарға ие аллельдер кесілмейді және тек бір жолақты ғана жасайды. Гендердің салыстырмалы орналасуын көрсете алатын рестрикциялық қорыту арқылы ДНК картасын жасауға болады. Рестрикциялық қорыту арқылы пайда болатын әртүрлі ұзындықтағы ДНК гельдік электрофорезден кейін белгілі бір жолақты үлгі жасайды және ДНК саусақ іздерін алу үшін қолданылуы мүмкін. Сол сияқты, рестрикциялық ферменттер гендік ДНК-ны Southern blot арқылы гендік талдау үшін қорыту үшін қолданылады. Бұл әдіс зерттеушілерге бір адамның геномында геннің қанша көшірмесі (немесе паралогы) бар екенін немесе популяция ішінде қанша гендік мутациялар (полиморфизмдер) пайда болғанын анықтауға мүмкіндік береді. Соңғы мысал рестрикциялық фрагмент ұзындығы полиморфизмі (RFLP) деп аталады. FokI ДНК-ның бөліну доменін ДНҚ-ны байланыстыратын ақуыздар массивімен немесе мырыш саусағы массивімен байланыстыру арқылы жасалған жасанды рестрикциялық ферменттер, мырыш саусағы нуклеазалары (ZFN), олардың жоғары реттілік ерекшелігіне байланысты, жаңашыл геномды өңдеудің қуатты құралы болып табылады. ZFN жұптармен жұмыс істейді, олардың димеризациясы FokI домені арқылы in situ жүзеге асырылады. Әрбір мырыш саусағы массиві (ZFA) 9–12 негіз жұбын тани алады, бұл жұп үшін 18–24 құрайды. Қиылу орындары арасындағы 5–7 бп аралық ZFN-нің ерекшелігін одан әрі арттырады, оларды адамдарда қолдануға болатын қауіпсіз және дәл құралға айналдырады. Жақында ВИЧ-1 вирусының CCR5 корецепторының мақсатты түрде жойылуы үшін ZFN-нің І фазалық клиникалық сынағы жүргізілді. Басқалар бактериялардың R-M жүйесін вирусқа қарсы гендерді немесе геномдық вакциналар мен терапияларды әзірлеудің үлгісі ретінде пайдалануды ұсынды, себебі R-M жүйесі бактериофагтардың тропизмін шектеу арқылы бактерияларда туа біткен қорғаныс рөлін атқарады. REазалар мен ZFN-ге қатысты зерттеулер жүргізілуде, олар әртүрлі адам вирустарының, соның ішінде HSV-2, жоғары қауіпті HPV және HIV-1 вирустарының ДНК-сын ажырата алады, соңғы мақсат - адам жұқтырған вирустардың мақсатты мутагенезін және ауытқуларын тудыру. Адам геномында өз пайдасы үшін белсенділігінен айырылған және пайдаланылған ретровирустық геномдардың қалдықтары бар. Шындығында, белсенді L1 геномдық ретроэлементтерін үш прайм жөндеу экзонуклеазасы 1 (TREX1) және эксцизиялық жөндеу қиылысқан 1 (ERCC) арқылы үндіру механизмдері бактериялардағы R-M жүйелерінің әрекетін және ZFN-ді жөндеу үлгісіз қолданғаннан кейін пайда болатын гомолог емес аяқтарды біріктіруді (NHEJ) еліктейді.