Введение
Генный рекомбинационный фермент Cre-рекомбиназа – это тирозин-рекомбиназный фермент, полученный из бактериофага P1. Фермент использует механизм, подобный топоизомеразе I, для осуществления сайт-специфической рекомбинации. Энзим (38 кДа) является членом семейства интеграз сайт-специфических рекомбиназ и, как известно, катализирует сайт-специфическую рекомбинацию между двумя участками распознавания ДНК (сайтами loxP). Этот 34-парный участок (bp) сайта распознавания loxP состоит из двух 13-парных палиндромных последовательностей, фланкирующих 8-парный спейсерный участок. Продукты рекомбинации, опосредованной Cre, в сайтах loxP зависят от расположения и относительной ориентации сайтов loxP. Два отдельных вида ДНК, оба содержащие сайты loxP, могут подвергаться слиянию в результате рекомбинации, опосредованной Cre. Последовательности ДНК, расположенные между двумя сайтами loxP, называют "floxed" (флоксированными). В этом случае продукты рекомбинации, вызванной Cre, зависят от ориентации сайтов loxP. ДНК, расположенная между двумя сайтами loxP, ориентированными в одном направлении, будет вырезана в виде круговой петли ДНК, в то время как ДНК, расположенная между двумя сайтами loxP, ориентированными в противоположных направлениях, будет инвертирована. Для своей функции ферменту не требуются дополнительные кофакторы (такие как АТФ) или вспомогательные белки. Фермент играет важную роль в жизненном цикле бактериофага P1, например, в циклизации линейного генома и разрешении димерных хромосом, которые образуются после репликации ДНК. Cre-рекомбиназа является широко используемым инструментом в области молекулярной биологии. Уникальная и специфическая система рекомбинации фермента используется для манипулирования генами и хромосомами в широком спектре исследований, таких как нокаут или нокаут-ин генов. Способность фермента эффективно функционировать в широком диапазоне клеточных сред (включая млекопитающих, растения, бактерии и дрожжи) позволяет использовать систему рекомбинации Cre Lox в огромном количестве организмов, что делает ее особенно полезным инструментом в научных исследованиях.
Cre recombinase is a tyrosine recombinase enzyme derived from the P1 bacteriophage. The enzyme uses a topoisomerase I like mechanism to carry out site specific recombination events. The enzyme (38 kDa) is a member of the integrase family of site specific recombinase and it is known to catalyse the site specific recombination event between two DNA recognition sites (LoxP sites). This 34 base pair (bp) loxP recognition site consists of two 13 bp palindromic sequences which flank an 8bp spacer region. The products of Cre mediated recombination at loxP sites are dependent upon the location and relative orientation of the loxP sites. Two separate DNA species both containing loxP sites can undergo fusion as the result of Cre mediated recombination. DNA sequences found between two loxP sites are said to be "floxed". In this case the products of Cre mediated recombination depends upon the orientation of the loxP sites. DNA found between two loxP sites oriented in the same direction will be excised as a circular loop of DNA whilst intervening DNA between two loxP sites that are opposingly orientated will be inverted. The enzyme requires no additional cofactors (such as ATP) or accessory proteins for its function. The enzyme plays important roles in the life cycle of the P1 bacteriophage, such as cyclization of the linear genome and resolution of dimeric chromosomes that form after DNA replication. Cre recombinase is a widely used tool in the field of molecular biology. The enzyme's unique and specific recombination system is exploited to manipulate genes and chromosomes in a huge range of research, such as gene knock out or knock in studies. The enzyme's ability to operate efficiently in a wide range of cellular environments (including mammals, plants, bacteria, and yeast) enables the Cre Lox recombination system to be used in a vast number of organisms, making it a particularly useful tool in scientific research.
Открытие
Исследования, проведенные в 1981 году Стернбергом и Гамильтоном, показали, что бактериофаг "P1" обладает уникальной системой сайт-специфической рекомбинации. Фрагменты EcoRI генома бактериофага P1 были получены и клонированы в векторы лямбда. Было обнаружено, что EcoRI-фрагмент размером 6,5 кб (фрагмент 7) обеспечивает эффективное протекание рекомбинации. Механизм этих рекомбинационных событий оказался уникальным, поскольку они происходили в отсутствие бактериальных белков RecA и RecBCD. Компоненты этой системы рекомбинации были установлены с помощью исследований делеционного мутагенеза. Эти исследования показали, что для эффективной рекомбинации необходимы как продукт гена P1, так и сайт рекомбинации. Продукт гена P1 был назван Cre (causes recombination – вызывает рекомбинацию), а сайт рекомбинации – loxP (locus of crossing over, P1 – локус кроссинговера, P1). Структура, состоящая из двух доменов, формирует С-образный зажим, который захватывает ДНК с противоположных сторон.
Использование в исследованиях
Индуцируемая активация Cre достигается с использованием варианта CreER (эстрогенного рецептора), который активируется только после введения тамоксифена. Это достигается путем слияния мутированного лиганд-связывающего домена эстрогенного рецептора с рекомбиназой Cre, в результате чего Cre становится специфически активируемым тамоксифеном. В отсутствие тамоксифена CreER обеспечивает транспорт мутировавшей рекомбиназы в цитоплазму. Белок остается в этом месте в неактивированном состоянии до введения тамоксифена. После введения тамоксифен метаболизируется в 4-гидрокситамоксифен, который затем связывается с ER и вызывает транслокацию CreER в ядро, где он способен разрезать loxP-сайты. Важно отметить, что иногда флуоресцентные репортеры могут активироваться в отсутствие тамоксифена из-за утечки небольшого количества молекул рекомбиназы Cre в ядро, что в сочетании со сверхчувствительными репортерами приводит к нежелательной маркировке клеток. CreER(T2) был разработан для минимизации рекомбинации, не зависящей от тамоксифена, и максимизации чувствительности к тамоксифену.
Улучшения
В последние годы рекомбиназа Cre была усовершенствована путем оптимизации кодонов для предпочтительного использования у млекопитающих, удаления идентифицированных криптических сайтов сплайсинга, изменения стоп-кодона и снижения содержания CpG с целью уменьшения риска эпигенетического подавления у млекопитающих. Кроме того, были обнаружены несколько мутантов с повышенной точностью.