Кіріспе

Шектеуді өзгерту жүйесі (RM жүйесі) бактериялар мен басқа да прокариоттық организмдерде кездеседі және бактериофагтар арқылы тасымалданатын сияқты бөгде ДНК-ға қарсы қорғаныс қамтамасыз етеді. Бактерияларда шектеу ферменттері болады, олар шектеу эндонуклеазалары деп те аталады, олар қос тізбекті ДНК-ны белгілі бір нүктелерде фрагменттерге бөледі, содан кейін басқа эндонуклеазалар оларды одан әрі ыдыратады. Бұл, инфекциялық агент (мысалы, бактериофаг) енгізген бөгде ДНК-ны тиімді жою арқылы инфекцияның алдын алады. Белгілі бактериялардың шамамен ширегінде RM жүйелері бар, ал олардың жартысында бірнеше түрлі жүйелер кездеседі. Рестрикциялық ферменттер танитын тізбектер өте қысқа болғандықтан, бактерияның өзінің геномында олардың кейбіреулері болуы мүмкін. Өзінің ДНК-сының рестрикциялық ферменттермен бұзылуын болдырмау үшін метил топтары қосылады. Бұл өзгерістер ДНК негіздерінің жұпталуына кедергі келтірмеуі керек, сондықтан әдетте әр тізбекте бірнеше ғана негіздер өзгертіледі. Эндонуклеазалар ішкі/терминалды емес фосфодиэстерлік байланыстарды үзеді. Олар мұны әдетте 4–6 негіз жұбынан тұратын және көбінесе палиндромды болатын ДНК-дағы белгілі тізбектерді танығаннан кейін ғана жасайды.

Тарих

РМ жүйесін алғаш рет 1952 және 1953 жылдары Сальваторе Лурия мен Мэри Хьюман ашқан. Олар инфекцияланған бактерияның ішінде өсіп жатқан бактериофагты өзгертуге болатынын анықтады, осылайша олардың босатылуы және туысқан бактерияны қайта инфекциялауы бактериофагтың өсуін шектейді (ингибициялайды; Лурия бұл туралы 1984 жылы шыққан өмірбаянында 45 және 99 беттерде де сипаттаған). 1953 жылы Жан Вейгл мен Джузеппе Бертани басқа бактериофаг жүйелерін пайдалана отырып, иесі бақылап отыратын модификацияның ұқсас мысалдарын жариялады. Кейін Дейзи Роулланд Дуссои, Вернер Арбер және көптеген басқа ғалымдар 1962 жылы шектеудің себебін қабылдаушы бактериялардың белгілі бір ферменттерінің модификацияланған бактериофагтың ДНК-сына шабуыл жасап, оны ыдыратуынан туатынын түсіндірді. Гамильтон О. Смит одан әрі зерттеу жұмыстарында қазір шектеу ферменттері деп аталатын ферменттер класының бірінші ферменті – HinDII-ді бөліп алды, ал Дэниел Натанс оны шектеу картасын жасау үшін қолдануға болатынын көрсетті. Осы ферменттер зертханада оқшауланған кезде ДНК-ны бақылап өзгертуге мүмкіндік берді, осылайша генетикалық инженерияның дамуына негіз салды. Вернер Арбер, Дэниел Натанс және Гамильтон Смит 1978 жылы шектеу-модификация жөніндегі еңбектері үшін физиология және медицина саласындағы Нобель сыйлығымен марапатталды.

Түрлері

Рестрикцияны өзгерту жүйелерінің төрт санаты бар: I, II, III және IV типтері, олардың барлығы рестрикциялық фермент және метилаза белсенділігіне ие (IV тип метилаза белсенділігінен басқа). Олар ашылған тәртібі бойынша аталды, бірақ II типті жүйе ең көп таралған. I типті жүйелер ең күрделі, үш полипептидтен тұрады: R (шектеу), M (өзгерту) және S (ерекшелік). Нәтижесінде пайда болған кешен ДНК-ны кесіп, метилирлей алады. Екі реакцияға да АТФ қажет, ал кесу жиі тану орнынан қашық жерде жүзеге асады. S суббірлігі шектеудің де, метилирлеудің де ерекшелігін анықтайды. Кесу тану тізбегінен өзгеретін қашықтықта болады, сондықтан дискретті жолақтарды гельдік электрофорез арқылы анықтау қиын. II типті жүйелер ең қарапайым және кең таралған. Метилтрансфераза мен эндонуклеаза кешен түрінде емес, екі жеке белок ретінде кодталады және тәуелсіз жұмыс істейді (ерекшелік белок жоқ). Екі белок та бірдей тану орнын таниды, сондықтан белсенділік үшін бәсекелеседі. Метилтрансфераза мономер ретінде әрекет етеді, дуплекстің бір жібін метилдейді. Эндонуклеаза гомодимер ретінде әрекет етеді, екі жіптің де кесілуіне көмектеседі. Кесу тану тізбегіне жақын немесе ішінде анықталған жерде болады, осылайша гельдік электрофорез кезінде дискретті фрагменттер пайда болады. Осы себепті II типті жүйелер зертханаларда ДНК талдау және генді клондау үшін қолданылады. III типті жүйелерде R (res) және M (mod) белоктары бар, олар модификация мен кесу кешенін құрайды. Дегенмен, M белок өздігінен метилирлей алады. Басқа белгілі механизмдерден айырмашылығы, метилирлеу ДНК-ның тек бір жібінде ғана жүзеге асады. R және M белоктарынан құралған гетеродимер бір реакцияны өзгертіп, шектеу арқылы өзімен бәсекелеседі. Бұл толық емес қорытылуға әкеледі. IV типті жүйелер нағыз RM жүйелері емес, өйткені олар тек рестрикциялық ферментті қамтиды, метилазаны емес. Басқа типтерден айырмашылығы, IV типті рестрикциялық ферменттер тек модификацияланған ДНК-ны таниды және кеседі.

Функция

Нейссерия менингитидісте табиғи генетикалық трансформацияда қолданылатын ІІ типті бірнеше шектеу эндонуклеазалық жүйелер бар. Табиғи генетикалық трансформация – бұл бактериялық клетканың көршілес донор бактериялық клеткадан ДНК-ны қабылдап, осы ДНК-ны рекомбинация арқылы өзінің геномына енгізуі мүмкін процесс. Шектеу-модификация жүйелері туралы алғашқы зерттеулер бактериялардың бактериофаг ДНК-сы немесе басқа шетелдік ДНК-дан қорғануына бағытталған болса, қазір бұл жүйелер сондай-ақ, бірдей немесе туысқан түрлердің басқа мүшелерінен табиғи трансформация арқылы енгізілген ДНК-ны шектеу үшін де қолданылатыны белгілі. Патогенді Neisseria meningitidis (менингококк) бактериясында трансформацияға қабілеттілік – бактериялық беткейдегі, мембраналардағы және цитоплазмадағы көптеген ақуыздардың кіріп келетін трансформацияланатын ДНК-мен өзара әрекеттесетін жоғары дамыған және күрделі процесс. Нейсерия туысында шектеу-модификация жүйелері көп. N. meningitidis-тің бірнеше ІІ типті шектеу эндонуклеазалық жүйелері бар. N. meningitidis-тегі шектеу-модификация жүйелері әртүрлі кладтар арасында ерекшеліктерімен өзгеше болады. Бұл ерекшелік кладтар арасындағы ДНК алмасуына қарсы тиімді кедергі жасайды. Когант пен Мейден менингококтардағы шектеу-модификация жүйелерінің өте жақын туыстар арасындағы генетикалық алмасуға мүмкіндік беруі мүмкін, сонымен қатар әртүрлі клоналдық кешендерге және туысқан түрлерге жататын менингококтар арасындағы генетикалық алмасуды азайтады (бірақ толығымен болдырмайды) деп болжады. РМ жүйелері эгоистік генетикалық элементтер ретінде де әрекет ете алады, олардың клеткада сақталуын постсегрегациялық клетканың өлтіруі арқылы қамтамасыз етеді. Кейбір вирустар шектеу-модификация жүйесін жеңудің жолдарын дамытты, әдетте өз ДНК-сын метил немесе гликозил топтарын қосу арқылы өзгерту арқылы, осылайша шектеу ферменттерін тоқтатып тастайды. Басқа вирустар, мысалы, T3 және T7 бактериофагтары шектеу ферменттерін тежейтін ақуыздарды кодтайды. Осы вирустарға қарсы тұру үшін кейбір бактериялар тек модификацияланған ДНК-ны танитын және кесетін, бірақ жаңаңдай алмаған жазытушы ДНК-сына әсер етпейтін шектеу жүйелерін дамытты. Кейбір прокариоттар шектеу-модификация жүйелерінің бірнеше түрлерін дамытты. RM жүйелері көбінесе шексіз түрлерде кездеседі, онда олар туыстық RM жүйелері бар тұқымдардың ішінде және арасында генетикалық алмасудың басым жолдарын орнатады. Бактериялық тұқымдардағы RM жүйелерінің репертуары және/немесе ерекшелігі тез өзгеретіндіктен, түрлер ішіндегі гендік трансферттің басым ағыны үнемі өзгереді деп күтіледі, бұл уақытқа байланысты гендік трансфер желілерін тудырады.

Молекулалық биология

(а) Клондау: РМ жүйелерін плазмидтерге клондауға болады және метилирлеу ферментінің қамтамасыз ететін кедергісіне байланысты іріктеуге болады. Плазмид көбейе бастағаннан кейін метилирлеу ферменті өндіріліп, плазмид ДНК-сын метилирлейді, осылайша оны белгілі бір рестрикциялық ферменттен қорғайды. (b) Рестрикциялық фрагмент ұзындығы полиморфизмі: Рестрикциялық ферменттер ДНК құрамын, РЭазаның кесу ерекшелігіне әсер ететін мутациялардың болуына немесе болмауына қарай талдау үшін де қолданылады. Жабайы тип және мутанттарды әртүрлі REазалармен қорыту арқылы талдағанда, гельдік электрофорез нәтижелері ұзындығы бойынша өзгеше болады, себебі мутациялар REазалардың мутантты тізбекке қатысты ерекшелігін жояды, нәтижесінде мутантты гендер жабайы типтегідей үлгіде кесілмейді.

Гендік терапия

Бактериялық R M жүйесі адам антивирустық гендік немесе геномдық вакциналар мен терапияларды жасаудың моделі ретінде ұсынылған, себебі RM жүйесі бактериофагтардың тропизмін шектеу арқылы бактерияларда туа біткен қорғаныс қызметін атқарады. Зерттеулер REазалар мен ZFN-ге бағытталған, олар HSV 2, жоғары тәуекелді HPV және HIV 1 сияқты әртүрлі адам вирустарының ДНК-сын кесе алады, соңғы мақсат – адамға жұққан вирустардың мақсатты мутациясын және бұзылыстарын тудыру. Адам геномында өз пайдасына жұмылдырылған және белсенділігінен айырылған ретровирустық геномдардың іздері бар. Шындығында, үш прайм жөндеу экзонуклеазасы 1 (TREX1) және эксцизиялық жөндеу кросс-комплементинг 1 (ERCC) арқылы белсенді L1 геномдық ретроэлементтерін үнсіздендіру механизмдері бактериялардағы RM жүйелерінің әрекетін және ZFN-ді жөндеу матрицасыз қолданғаннан кейін пайда болатын гомолог емес ұштарды қосу (NHEJ) процесін еске түсіреді. Маңызды жетістік – FokI ДНК кесу доменін ДНК-ға байланысатын ақуыздар массивімен немесе мырыш саусақ массивімен байланыстыру арқылы жасалған, қазір мырыш саусақ нуклеазалары (ZFN) деп аталатын жасанды шектеу ферменттерін құру. ZFN-дер жоғары секвенциялық ерекшелігінің арқасында жаңашыл геномды өңдеудің қуатты құралы болып табылады. ZFN жұптармен жұмыс істейді, олардың димеризациясы FoKI домені арқылы in situ жүзеге асырылады. Әрбір мырыш саусақ массиві (ZFA) 9–12 базалық жұпты тани алады, яғни жұп үшін 18–24. Кесу орындары арасындағы 5–7 базалық жұптық аралық ZFN-нің ерекшелігін одан әрі арттырады, оларды адамдарда қолдануға болатын қауіпсіз және дәл құралға айналдырады. Жақында ВИЧ-1 вирусының CCR5 корецепторын жоюға бағытталған ZFN-нің І фазалық клиникалық сынағы жүргізілді.

Олардың жылжымалы генетикалық элементтермен (ЖГЭ) байланысы

RM жүйелері жылжымалы генетикалық элементтер (ЖЖЭ) мен олардың иелері арасындағы коэволюциялық өзара әрекеттесуде маңызды рөл атқарады. RM жүйелерін кодтайтын гендер плазмидтер, профагтар, кіріктіру тізбектері/транспозондар, интегративтік конъюгациялық элементтер (ICE) және интеграрондар сияқты ЖЖЭ ішіндегі прокариоттық геномдар арасында жылжуы мүмкін екені хабарланды. Дегенмен, жақында плазмидтерде RM жүйелері салыстырмалы түрде аз, кейбіреулері профагтарда кездеседі, ал фагтарда дерлік жоқ екені анықталды. Керісінше, осы ЖЖЭ-лер көптеген жеке RM гендерін, әсіресе МТазаларды кодтайды. Осыған сүйенсек, RM жылжуы ЖЖЭ-ге қарағанда, мысалы, геномдық интеграцияның шағын ошақтарына көбірек тәуелді болуы мүмкін. Сонымен қатар, RM жүйелері геномдар арасында жылжу үшін табиғи трансформация, везикулалар, нанотүтіктер, гендерді жеткізу агенттері немесе жалпы трансдукция сияқты басқа да механизмдерді жиі пайдалануы мүмкін.