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.

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.