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.
Deoxyribonuclease (DNase, for short) refers to a group of glycoprotein endonucleases which are enzymes that catalyze the hydrolytic cleavage of phosphodiester linkages in the DNA backbone, thus degrading DNA. The role of the DNase enzyme in cells includes breaking down extracellular DNA (ecDNA) excreted by apoptosis, necrosis, and neutrophil extracellular traps (NET) of cells to help reduce inflammatory responses that otherwise are elicited. A wide variety of deoxyribonucleases are known and fall into one of two families (DNase I or DNase II), which differ in their substrate specificities, chemical mechanisms, and biological functions. Laboratory applications of DNase include purifying proteins when extracted from prokaryotic organisms. Additionally, DNase has been applied as a treatment for diseases that are caused by ecDNA in the blood plasma. Assays of DNase are emerging in the research field as well.
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.