Введение

Энзимы, расщепляющие ДНК. Дезоксирибонуклеаза (сокращенно DNase) – это группа гликопротеиновых эндонуклеаз, являющихся ферментами, катализирующими гидролитическое расщепление фосфодиэфирных связей в цепи ДНК, что приводит к её деградации. Функция фермента DNase в клетках включает расщепление внеклеточной ДНК (ecDNA), выделяемой при апоптозе, некрозе и образовании внеклеточных ловушек нейтрофилов (NET), для снижения воспалительных реакций. Существует большое разнообразие дезоксирибонуклеаз, которые делятся на два семейства (DNase I или DNase II), различающихся по специфичности к субстрату, химическим механизмам и биологическим функциям. В лабораторной практике DNase используется для очистки белков при извлечении из прокариотических организмов. Кроме того, DNase применяется для лечения заболеваний, вызванных ecDNA в плазме крови. Методы анализа DNase также находят применение в научных исследованиях.

Типы

Два основных типа ДНКаз, обнаруженных у животных, известны как дезоксирибонуклеаза I (DNase I) и дезоксирибонуклеаза II (DNase II). Внутри этих двух семей существуют подкатегории.

Семейство DNase I: DNase I, DNase1L1, DNase 1L2, DNase1L3

Первый набор ДНКаз – ДНКаза I. Это семейство включает в себя ДНКазу I, DNase1L1, DNase 1L2 и DNase1L3. ДНКаза I расщепляет ДНК, образуя два олигонуклеотидных конечных продукта с 5'-фосфо- и 3'-гидрокси-концами, и в основном производится органами пищеварительной системы. Семейство ДНКаз I требует катионов Ca2+ и Mg2+ в качестве активаторов и характеризуется селективной экспрессией. Что касается pH, то семейство ДНКаз I активно при нормальном pH в диапазоне от 6,5 до 8.

Семейство DNase II: DNase II ɑ и DNase II

Второй набор ДНКаз – это DNase II. Это семейство состояло из DNase II α и DNase II β. Как и DNase I, DNase II расщепляет ДНК, образуя два олигонуклеотидных конечных продукта с 5'-гидроксильными и 3'-фосфатными концами. Этот тип ДНКазы более широко экспрессируется в тканях благодаря высокой экспрессии в макрофагах, но ограниченной экспрессии в различных типах клеток. В отличие от DNase I, для их активации не требуются катионы Ca2+ и Mg2+. Что касается pH, семейство DNase II проявляет активность в кислой среде. Модель расщепления DNase II изменяется в присутствии диметилсульфоксида (DMSO), что значительно влияет на структуру ДНК.

Структура

Хотя и DNase I, и DNase II являются гликопротеиновыми эндонуклеазами, DNase I имеет мономерную структуру типа «сэндвич» с углеводной боковой цепью, в то время как DNase II имеет димерную четвертичную структуру. Структура DNase I: DNase I – это гликопротеин с молекулярной массой 30 000 Да и углеводной цепью из 8–10 остатков, присоединенных к Asn18 (оранжевый). Это α,β-белок с двумя 6-цепочечными β-складчатыми листами, которые формируют ядро структуры. Эти два основных листа ориентированы параллельно, а все остальные – антипараллельно. β-складчатые листы расположены в центре структуры, в то время как α-спирали обозначены катушками на периферии. DNase I содержит четыре ионсвязывающих кармана и требует Ca2+ и Mg2+ для гидролиза двухцепочечной ДНК. Два из этих участков прочно связывают Ca2+, в то время как два других координируют Mg2+. О количестве и расположении Mg2+-связывающих сайтов опубликовано немного, хотя предполагается, что Mg2+ расположен вблизи каталитического кармана и способствует гидролизу. На изображении оба иона Ca2+ показаны красным цветом. Они связаны с DNase I в условиях кристаллизации и важны для структурной целостности молекулы, стабилизируя поверхностную петлю от Asp198 до Thr204 (циановый цвет) и ограничивая область высокой термической подвижности в гибкой петле остатками от Gly97 до Gly102 (желтый цвет). Структура DNase II: DNase II содержит гомодимерную четвертичную структуру, способную связывать двухцепочечную ДНК в U-образной архитектуре зажима. Внутренняя поверхность U-образного зажима в основном электроположительна и способна связывать отрицательно заряженную ДНК. Подобно DNase I, структура DNase II состоит из смешанной α/β вторичной структуры с 9 α-спиралями и 20 β-складчатыми листами. Однако, в отличие от DNase I, DNase II не требует двухвалентных ионов металлов для катализа. Некоторые DNase довольно нечувствительны к последовательности ДНК, в которой они осуществляют расщепление, в то время как другие, включая рестрикционные ферменты, обладают высокой последовательностью-специфичностью. Некоторые DNase расщепляют только двухцепочечную ДНК, другие специфичны для одноцепочечных молекул, а третьи активны в отношении обеих. Действие DNase происходит в три фазы. Начальная фаза вносит множественные надрезы в фосфодиэфирный остов. Вторая фаза приводит к образованию нуклеотидов, растворимых в кислоте. Третья фаза, являющаяся заключительной, состоит в деградации олигонуклеотидов, вызывающей гиперхромный сдвиг в УФ-данных.

Механизм DNase I

DNase I преимущественно атакует двухцепочечную ДНК, и в меньшей степени – некоторые одноцепочечные ДНК, осуществляя их расщепление. DNase I катализирует неспецифическое расщепление ДНК путем разрыва фосфодиэфирных связей в одной из цепей. Место расщепления находится между 3'-кислородным атомом и соседним атомом фосфора, в результате чего образуются 3'-гидроксильные и 5'-фосфорные олигонуклеотиды с инверсией конфигурации у фосфора. Для нормальной функции фермент DNase I требует присутствия двухвалентного катиона, обычно Ca2+. Активный центр DNase I включает два остатка гистидина (His134 и His252) и два кислотных остатка (Glu78 и Asp212), все из которых критически важны для кислотно-основного катализа фосфодиэфирных связей.

Механизм DNase II

Дезоксирибонуклеаза II (DNase II) также известна как кислотная дезоксирибонуклеаза, поскольку проявляет оптимальную активность в кислой среде лизосом, где она обычно находится у высших эукариот. Некоторые формы рекомбинантной DNase II демонстрируют высокую активность при низком pH даже в отсутствие двухвалентных ионов металлов, подобно эукариотной DNase II. ДНК гидролизуется, при этом белки остаются неповрежденными, и экстракт может быть подвергнут дальнейшей очистке.

Лечение

Внеклеточная ДНК (ecDNA) – это ДНК, обнаруженная в кровотоке. Она появляется в результате апоптоза, некроза или образования нейтрофильных внеклеточных ловушек (НЭТ) кровяными и тканевыми клетками, но также может возникать в результате активной секреции живыми клетками. EcDNA и ассоциированные с ней белки, связывающие ДНК, способны активировать рецепторы, распознающие ДНК, рецепторы распознавания паттернов (PRR). PRR способны стимулировать пути, вызывающие воспалительный иммунный ответ. В результате, ряд исследований воспалительных заболеваний выявили высокие концентрации ecDNA в плазме крови. По этой причине DNase зарекомендовала себя как потенциальный метод лечения для снижения концентрации ecDNA в плазме крови. DNase могут выделяться как внутриклеточно, так и внеклеточно и способны расщеплять фосфодиэфирную связь ДНК. Эта функция может быть использована для поддержания низкой концентрации ecDNA, тем самым купируя воспаление. Заболевания, возникающие из-за остатков ДНК в крови, лечат, используя "разрушающие свойства" DNase. Исследования показали, что DNase может выступать в качестве терапевтического средства, снижая вязкость слизи. Способ введения DNase варьируется в зависимости от заболевания и может осуществляться перорально, внутриплеврально, внутривенно, внутрибрюшинно или ингаляционно. Продолжаются многочисленные исследования, изучающие применение DNase в качестве лечения, а также методы мониторинга состояния здоровья. Например, недавно DNase, полученная из патогенных бактерий, использовалась в качестве индикатора для мониторинга инфекции ран.