Введение
Система рестрикции-модификации (РМ-система) встречается у бактерий и других прокариотических организмов и обеспечивает защиту от чужеродной ДНК, например, переносимой бактериофагами. Бактерии обладают рестрикционными ферментами, также называемыми рестрикционными эндонуклеазами, которые разрезают двухцепочечную ДНК в определенных точках на фрагменты, которые затем подвергаются дальнейшей деградации другими эндонуклеазами. Это предотвращает инфекцию, эффективно уничтожая чужеродную ДНК, внедренную инфекционным агентом (например, бактериофагом). Примерно четверть известных бактерий имеет РМ-системы, и около половины из них содержат более одного типа системы. Поскольку последовательности, распознаваемые рестрикционными ферментами, очень короткие, сама бактерия почти наверняка содержит некоторые из них в своем геноме. Чтобы предотвратить разрушение собственной ДНК рестрикционными ферментами, добавляются метильные группы. Эти модификации не должны нарушать спаривание оснований ДНК, поэтому обычно модифицируется лишь несколько специфических оснований на каждой цепи. Эндонуклеазы расщепляют внутренние/нетерминальные фосфодиэфирные связи, но только после распознавания специфических последовательностей в ДНК, которые обычно состоят из 4–6 пар оснований и часто являются палиндромами.
История
Система РМ была впервые обнаружена Сальватором Луриа и Мэри Хьюман в 1952 и 1953 годах. Они обнаружили, что бактериофаг, размножающийся внутри инфицированной бактерии, может быть модифицирован таким образом, что после высвобождения и повторного заражения близкородственной бактерии его рост подавляется (ингибируется; также описано Лурией в его автобиографии на страницах 45 и 99 в 1984 году). В 1953 году Жан Вейгл и Джузеппе Бертани сообщили о схожих примерах модификации, контролируемой хозяином, используя другие системы бактериофагов. Последующие работы Дейзи Рулланд Дуссо и Вернера Арбера в 1962 году, а также многих других исследователей, привели к пониманию того, что ограничение связано с атакой и разрушением ДНК модифицированного бактериофага специфическими ферментами бактерий-реципиентов. Дальнейшие исследования Гамильтона О. Смита позволили выделить HinDII – первый фермент из класса, ныне известных как рестриктазы, а Дэниел Ната́нс показал, что его можно использовать для построения рестрикционных карт. Изолировав эти ферменты в лаборатории, стало возможным контролируемое манигулирование ДНК, что заложило основу для развития генной инженерии. Вернер Арбер, Дэниел Ната́нс и Гамильтон Смит были удостоены Нобелевской премии по физиологии и медицине в 1978 году за их работы в области рестрикции и модификации.
Типы
Существует четыре категории систем модификации-рестрикции: тип I, тип II, тип III и тип IV, все с активностью рестрикционного фермента и метилазной активностью (за исключением типа IV, который не имеет метилазной активности). Они были названы в порядке открытия, хотя система типа II является наиболее распространенной. Системы типа I являются наиболее сложными, состоящими из трех полипептидов: R (рестрикция), M (модификация) и S (специфичность). Полученный комплекс может как расщеплять, так и метилировать ДНК. Обе реакции требуют АТФ, и расщепление часто происходит на значительном расстоянии от сайта распознавания. Субъединица S определяет специфичность как рестрикции, так и метилирования. Расщепление происходит на переменных расстояниях от последовательности распознавания, поэтому дискретные полосы нелегко визуализируются при гелевом электрофорезе. Системы типа II являются самыми простыми и наиболее распространенными. Вместо работы в виде комплекса, метилтрансфераза и эндонуклеаза кодируются двумя отдельными белками и действуют независимо друг от друга (белка специфичности нет). Оба белка распознают один и тот же сайт распознавания и поэтому конкурируют за активность. Метилтрансфераза действует как мономер, метилируя дуплекс по одной цепи за раз. Эндонуклеаза действует как гомодимер, что облегчает расщепление обеих цепей. Расщепление происходит в определенной позиции рядом с или внутри последовательности распознавания, тем самым образуя дискретные фрагменты при гелевом электрофорезе. По этой причине системы типа II используются в лабораториях для анализа ДНК и клонирования генов. Системы типа III содержат белки R (res) и M (mod), которые образуют комплекс модификации и расщепления. Однако белок M может метилировать самостоятельно. Метилирование также происходит только на одной цепи ДНК, в отличие от большинства других известных механизмов. Гетеродимер, образованный белками R и M, конкурирует с самим собой, модифицируя и рестригируя одну и ту же реакцию. Это приводит к неполному расщеплению. Системы типа IV не являются истинными RM-системами, поскольку они содержат только рестрикционный фермент, но не метилазу. В отличие от других типов, рестрикционные ферменты типа IV распознают и разрезают только модифицированную ДНК.
Функция
Neisseria meningitidis обладает множественными эндонуклеазными системами ограничения II типа, которые используются в естественной генетической трансформации. Естественная генетическая трансформация – это процесс, при котором бактериальная клетка-реципиент может поглощать ДНК из соседней бактериальной клетки-донора и интегрировать эту ДНК в свой геном посредством рекомбинации. Хотя ранние исследования систем модификации-ограничения были сосредоточены на преимуществах для бактерий в защите от вторжения бактериофаговой ДНК или другой чужеродной ДНК, сейчас известно, что эти системы также могут использоваться для ограничения ДНК, вносимой естественной трансформацией от других представителей того же или родственных видов. У патогенной бактерии Neisseria meningitidis (менингококков) компетентность к трансформации – это высокоразвитый и сложный процесс, в котором множество белков на поверхности бактерии, в мембранах и в цитоплазме взаимодействуют с поступающей трансформирующей ДНК. Системы модификации-ограничения широко распространены в роде Neisseria. N. meningitidis обладает множественными эндонуклеазными системами ограничения II типа. Системы модификации-ограничения у N. meningitidis различаются по специфичности между различными кладами. Эта специфичность обеспечивает эффективный барьер против обмена ДНК между кладами. Caugant и Maiden предположили, что системы модификации-ограничения у менингококков могут способствовать генетическому обмену среди очень близких родственников, одновременно снижая (но не полностью предотвращая) генетический обмен среди менингококков, принадлежащих к различным клональным комплексам и родственным видам. Системы РМ также могут функционировать как эгоистичные генетические элементы, обеспечивая свое поддержание в клетке посредством постсегрегационного уничтожения клеток. Некоторые вирусы выработали способы подавления системы модификации-ограничения, обычно путем модификации собственной ДНК, добавления в нее метильных или гликозильных групп, тем самым блокируя рестрикционные ферменты. Другие вирусы, такие как бактериофаги T3 и T7, кодируют белки, ингибирующие рестрикционные ферменты. В ответ на это некоторые бактерии развили системы ограничения, которые распознают и расщепляют только модифицированную ДНК, но не действуют на немодифицированную ДНК хозяина. Некоторые прокариоты развили несколько типов систем модификации-ограничения. Системы РМ более распространены у видов с широким спектром партнеров по обмену генами, где они устанавливают предпочтительные пути генетического обмена внутри и между линиями с родственными системами РМ. Поскольку репертуар и/или специфичность систем РМ в бактериальных линиях быстро меняются, ожидается, что предпочтительные потоки передачи генов внутри видов будут постоянно изменяться, формируя временные сети передачи генов.
Молекулярная биология
(a) Клонирование: Системы RM могут быть клонированы в плазмиды и отобраны благодаря устойчивости, обеспечиваемой метилирующим ферментом. Как только плазмида начнет реплицироваться, метилирующий фермент будет производиться и метилировать ДНК плазмиды, защищая ее от действия специфического рестрикционного фермента. (b) Полиморфизм длин фрагментов рестрикции: Рестрикционные ферменты также используются для анализа состава ДНК в отношении наличия или отсутствия мутаций, влияющих на специфичность расщепления REase. При анализе дикого типа и мутантов путем переваривания различными REase, продукты гель-электрофореза различаются по длине, главным образом потому, что мутантные гены не будут расщепляться по такому же шаблону, как дикий тип, из-за наличия мутаций, делающих REase неспецифичными к мутантной последовательности.
Генная терапия
Система RM бактерий была предложена в качестве модели для разработки антивирусных генов человека или геномных вакцин и терапий, поскольку система RM выполняет врожденную защитную функцию у бактерий, ограничивая тропизм бактериофагов. Исследования ведутся в отношении REases и ZFN, способных расщеплять ДНК различных человеческих вирусов, включая HSV-2, высокорисковые ВПЧ и ВИЧ-1, с конечной целью индуцирования мутагенеза в мишенях и аберраций вирусов, инфицирующих человека. Геном человека уже содержит остатки ретровирусных геномов, которые были инактивированы и использованы в собственных целях. Действительно, механизмы подавления активных геномных ретроэлементов L1 тремя прайм-репарационными экзонуклеазами 1 (TREX1) и репарационным перекрестным комплементированием 1 (ERCC) напоминают действие систем RM у бактерий, а также нехомологичное соединение концов (NHEJ), которое следует за использованием ZFN без шаблона для репарации. Важным достижением стало создание искусственных рестрикционных ферментов путем связывания домена расщепления ДНК FokI с массивом белков, связывающих ДНК, или массивами цинковых пальцев, которые теперь обозначаются как нуклеазы цинковых пальцев (ZFN). ZFN являются мощным инструментом для редактирования генома хозяина благодаря их повышенной специфичности к последовательностям. ZFN работают в парах, их димеризация опосредуется in situ через домен FokI. Каждый массив цинковых пальцев (ZFA) способен распознавать 9–12 пар оснований, что в сумме составляет 18–24 пары для пары. Спейсер длиной 5–7 пар оснований между участками расщепления дополнительно повышает специфичность ZFN, делая их безопасным и более точным инструментом, который можно применять у людей. Недавно было проведено клиническое исследование фазы I, посвященное использованию ZFN для целенаправленного подавления корецептора CCR5 для ВИЧ-1.
Их связь с подвижными генетическими элементами (MGE)
Системы RM играют ключевую роль в коэволюционном взаимодействии между подвижными генетическими элементами (MGE) и их хозяевами. Сообщалось, что гены, кодирующие системы RM, перемещаются между прокариотическими геномами внутри MGE, таких как плазмиды, профаги, последовательности вставки/транспозоны, интегративные конъюгативные элементы (ICE) и интеграны. Однако недавно было установлено, что плазмиды содержат относительно небольшое количество систем RM, некоторые из них встречаются в профагах, а в фагах – практически отсутствуют. С другой стороны, все эти MGE кодируют большое число отдельных генов RM, особенно MTаз. В связи с этим, вероятно, мобильность RM может быть в меньшей степени зависима от MGE и в большей – например, от наличия небольших участков геномной интеграции. Также возможно, что системы RM часто используют другие механизмы, такие как естественная трансформация, везикулы, нанотрубки, агенты передачи генов или генерализованная трансдукция для перемещения между геномами.