Введение
Олигонуклеотиды ДНК, способные выполнять определенную химическую реакцию. Дезоксирибозимы, также называемые ДНК-ферментами, ДНКзимами или каталитической ДНК, представляют собой олигонуклеотиды ДНК, которые способны катализировать определенную химическую реакцию, хотя и не всегда. Это аналогично действию других биологических ферментов, таких как белки или рибозимы (ферменты, состоящие из РНК). Однако, в отличие от распространенности белковых ферментов в биологических системах и открытия биологических рибозимов в 1980-х годах, существует мало свидетельств существования дезоксирибозимов в природе. Дезоксирибозимы не следует путать с ДНК-аптамерами, которые представляют собой олигонуклеотиды, избирательно связывающиеся с целевым лигандом, но не катализирующие последующую химическую реакцию. За исключением рибозимов, молекулы нуклеиновых кислот в клетках в основном служат для хранения генетической информации благодаря способности образовывать комплементарные пары оснований, что обеспечивает высокоточную репликацию и передачу генетической информации. В отличие от этого, каталитическая способность молекул нуклеиновых кислот, по сравнению с белковыми ферментами, ограничена всего тремя типами взаимодействий: водородными связями, π-π стэкингом и координацией ионов металлов. Это связано с ограниченным числом функциональных групп мономеров нуклеиновых кислот: если белки построены из до двадцати различных аминокислот с разнообразными функциональными группами, то нуклеиновые кислоты – всего из четырех химически схожих нуклеобаз. Кроме того, ДНК лишена 2'-гидроксильной группы, присутствующей в РНК, что ограничивает каталитическую активность дезоксирибозимов даже по сравнению с рибозимами. Помимо присущей ДНК более низкой каталитической активности, кажущееся отсутствие дезоксирибозимов в природе может также быть связано с преимущественно двухцепочечной конформацией ДНК в биологических системах, которая ограничивает ее физическую гибкость и способность формировать третичные структуры, тем самым существенно снижая способность двухцепочечной ДНК выступать в роли катализатора.
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;
РНК-лигазы
Особый интерес представляют ДНК-лигазы и расщепление ДНК.
in vitro селекция
Поскольку естественных дезоксирибозимов не обнаружено, большинство известных последовательностей дезоксирибозимов были выявлены с помощью высокопроизводительного метода отбора in vitro, аналогичного SELEX. Отбор in vitro использует "пул" огромного количества случайных последовательностей ДНК (обычно 10¹⁴–10¹⁵ уникальных цепей), которые можно скринировать на наличие определенной каталитической активности. Пул синтезируется методом твердофазного синтеза таким образом, что каждая цепь имеет две константные области (сайты для прикрепления праймеров для ПЦР-амплификации), фланкирующие случайную область определенной длины, обычно от 25 до 50 нуклеотидов. Таким образом, общее количество уникальных цепей, называемое пространством последовательностей, равно 4ᴺ, где N обозначает число нуклеотидов в случайной области. Поскольку 4²⁵ ≈ 10¹⁵, нет практического смысла выбирать случайные области длиной менее 25 нуклеотидов, а увеличение этого числа приводит к тому, что полное пространство последовательностей становится недоступным для исследования. Однако, поскольку в пространстве последовательностей, вероятно, содержится множество потенциальных кандидатов для данной каталитической реакции, случайные области длиной 50 и даже больше успешно приводят к получению каталитических дезоксирибозимов, что демонстрирует, как олигонуклеотиды подвергаются конкурентному связыванию с мишенями и как можно улучшить эволюционный результат путем тонкой настройки параметров. Дезоксирибозимы, полученные методом отбора in vitro, будут оптимизированы для условий, в которых проводится отбор, таких как концентрация соли, pH и наличие кофакторов. В связи с этим, каталитическая активность может быть достигнута только в присутствии специфических кофакторов или других условий с использованием этапов положительного отбора, а также этапов отрицательного отбора против нежелательных условий.
эволюция in vitro
Аналогичный метод получения новых дезоксирибозимов – это in vitro эволюция. Хотя этот термин часто используется как синоним in vitro селекции, in vitro эволюция более точно описывает несколько иную процедуру, в которой начальный пул олигонуклеотидов генетически модифицируется в последующих раундах посредством генетической рекомбинации или точечных мутаций. Эта первая успешная эволюция каталитической ДНК из некаталитического предшественника может служить подтверждением гипотезы мира РНК. В другом недавнем исследовании рибозим РНК-лигаза был преобразован в дезоксирибозим посредством in vitro эволюции неактивного дезоксирибо-аналога рибозима. Новый дезоксирибозим РНК-лигазы содержал всего двенадцать точечных мутаций, две из которых не влияли на активность, и обладал каталитической эффективностью примерно в 1/10 от исходного рибозима, однако исследователи предположили, что активность можно дополнительно повысить посредством дальнейшей селекции. Это первое свидетельство переноса функции между различными нуклеиновыми кислотами может служить поддержкой различным гипотезам о мире, предшествовавшем миру РНК.
"Настоящий" катализатор?
Поскольку большинство дезоксирибозимов подвержены ингибированию продуктом и, следовательно, демонстрируют поведение единичного оборота, иногда утверждается, что дезоксирибозимы не проявляют "истинного" каталитического поведения, поскольку они не способны осуществлять многократный катализ, как большинство биологических ферментов. Однако, общепринятое определение катализатора требует лишь того, чтобы вещество ускоряло скорость химической реакции, не расходуясь в процессе (то есть, не претерпевая необратимых химических изменений и подлежащее регенерации). Таким образом, согласно этому определению, дезоксирибозимы единичного оборота действительно являются катализаторами. Ряд исследований продемонстрировал использование ДНК-зимов для ингибирования репликации вирусов гриппа А и В в клетках-хозяевах. Также было показано, что ДНК-зимы ингибируют репликацию коронавируса SARS (SARS CoV) и HCV.
Клинические испытания лекарственных средств
Астма характеризуется эозинофил-индуцированным воспалением, обусловленным Т-хелперами 2 типа (Th2). Воздействуя на транскрипционный фактор GATA3 пути Th2 с помощью ДНК-зима, можно подавить воспаление. Безопасность и эффективность SB010, нового 10-23 ДНК-зима, были оценены, и было установлено, что он способен расщеплять и инактивировать мРНК GATA3 в клинических испытаниях фазы IIa. Лечение SB010 значительно ослабляло как поздние, так и ранние астматические реакции после аллергенной провокации у мужчин с аллергической астмой. Транскрипционный фактор GATA3 также является перспективной мишенью для ДНК-зима SB012 в новой терапевтической стратегии при язвенном колите (УК). УК – это идиопатическое воспалительное заболевание кишечника, определяемое хронически рецидивирующими воспалениями желудочно-кишечного тракта и характеризующееся поверхностным, непрерывным воспалением слизистой оболочки, преимущественно поражающим толстую кишку. Пациенты, не отвечающие на современные стратегии лечения УК, испытывают серьезные осложнения, одним из которых может быть колоректальная хирургия, приводящая к значительному снижению качества жизни. Таким образом, пациенты со средней или тяжелой степенью УК могут получить значительную пользу от этих новых терапевтических альтернатив, в частности, SB012 находится на стадии I клинических испытаний. Атопический дерматит (АД) – это хроническое воспалительное заболевание кожи, при котором пациенты страдают от экземы, часто сильного зуда на пораженных участках, а также осложнений и вторичных инфекций. АД возникает в результате усиления Th2-модифицированных иммунных ответов, поэтому новый подход к лечению АД с использованием ДНК-зимов, нацеленных на GATA3, представляется перспективным вариантом. Местный ДНК-зим SB011 в настоящее время проходит клинические испытания фазы II. Также ведутся исследования ДНК-зимов для лечения рака. Разрабатывается 10-23 ДНК-зим, способный блокировать экспрессию IGF-I (инсулиноподобный фактор роста I, участвующий в нормальном росте клеток и в опухолеобразовании) путем воздействия на его мРНК, что может быть полезно для блокирования секреции IGF-I из первичных клеток простаты и, в конечном итоге, для ингибирования развития опухоли простаты. Кроме того, ожидается, что данное лечение также ингибирует метастазы в печени за счет подавления IGF-I в печени (основном источнике IGF-I в сыворотке крови). ДНК-зимный биосенсор для определения ионов свинца был использован для обнаружения ионов свинца в воде в государственных школах Сент-Пола, штат Миннесота. Кроме того, ДНК-зимы использовались в сочетании с аптамерами и нуклеиновыми кислотными биорецепторами для разработки мультиплексного биоанализа.
Асимметричный синтез
Хиральность – еще одно свойство, которое может использовать ДНК-фермент. ДНК в природе существует в виде правозакрученной двойной спирали, а в асимметричном синтезе хиральный катализатор является ценным инструментом для синтеза хиральных молекул из ахирального предшественника. В одном из применений искусственный ДНК-катализатор был создан путем присоединения к нему иона меди через спейсер. Комплекс ДНК с медью катализировал реакцию Дильса-Альдера в воде между циклопентадиеном и аза-хальконом. Было обнаружено, что продукты реакции (эндо- и экзоизомеры) присутствуют в энантиомерном избытке 50%. В дальнейшем было установлено, что можно добиться энантиомерного избытка в 99%, и что как скорость реакции, так и энантиоселективность зависят от последовательности ДНК.
Биоконъюгация с hGQ DNAzyme
Гемин/G-квадруплексный ДНК-фермент состоит из ДНК, формирующей G-квадруплекс, которая способна связывать кофактор гемин (также известный как Fe(III)-протопорфирин IX), образуя комплекс, катализирующий определенные окислительные реакции в присутствии перекиси водорода. Этот ДНК-фермент может окислять небольшие молекулы, такие как дофамин и аденозинтрифосфат, а также использоваться для модификации пептидов и белков посредством присоединения небольших молекул.
Другие применения
Другие применения ДНК в химии включают синтез на основе ДНК-матрицы, энантиоселективный катализ, нанопроволоки ДНК и ДНК-вычисления.