Naváděcí endonukleáza - Homing endonuclease
The naváděcí endonukleázy jsou sbírkou endonukleázy zakódováno buď jako volně stojící geny v rámci introny, jako fúze s hostitelskými proteiny nebo jako samostříkání inteins. Katalyzují hydrolýzu genomové DNA v buňkách, které je syntetizují, ale dělají to na velmi malém nebo dokonce singulárním místě. Oprava hydrolyzované DNA hostitelskou buňkou často vede k tomu, že gen kódující naváděcí endonukleázu byl zkopírován do místa štěpení, proto termín „naváděcí“ popisuje pohyb těchto genů. Naváděcí endonukleázy tak mohou přenášet své geny horizontálně v hostitelské populaci, což zvyšuje jejich alela frekvence vyšší než Mendelovy frekvence.
Původ a mechanismus
Ačkoli se původ a funkce naváděcích endonukleáz stále zkoumá, nejuznávanější hypotéza je považuje za sobecké genetické prvky,[1] podobný transpozice, protože usnadňují udržování genetických prvků, které je kódují, nezávisle na poskytnutí funkčního atributu hostitelskému organismu.
Homing endonukleázové rozpoznávací sekvence jsou dostatečně dlouhé na to, aby se vyskytovaly náhodně pouze s velmi nízkou pravděpodobností (přibližně jednou za každých 7×109 bp),[2] a obvykle se nacházejí v jednom nebo velmi málo případech za genom. Obecně, díky mechanismu navádění, je gen kódující endonukleázu (HEG, „gen navádějící endonukleázy“) umístěn v rozpoznávací sekvenci, kterou enzym štěpí, čímž se přerušuje naváděcí rozpoznávací sekvence endonukleázy a omezuje se dělení DNA pouze na místa, která to dělají ne (zatím) nést HEG.
Před přenosem jeden alela nese gen (HEG+) zatímco druhý ne (HEG−), a je proto náchylný k štěpení enzymem. Jakmile je enzym syntetizován, rozbíjí chromozom v HEG− alela, iniciující odpověď z buňky Oprava DNA Systém. Poškození je opraveno pomocí rekombinace podle vzoru opačné, nepoškozené alely DNA, HEG+, který obsahuje gen pro endonukleázu. Gen je tedy zkopírován do alely, která ji původně neměla, a je šířena po sobě následujících generacích.[3] Tento proces se nazývá „navádění“.[3]
Nomenklatura
Naváděcí endonukleázy jsou vždy označeny předponou, která identifikuje jejich genomický původ, následovanou pomlčkou: „I-“ pro naváděcí endonukleázy kódované v intronu, „PI-“ (pro „proteinový inzert“) pro ty, které jsou kódovány v rámci inteinu. Někteří autoři navrhli použít předponu „F-“ („volně stojící“) pro virové enzymy a jiné přírodní enzymy nekódované introny ani inteiny,[4] a „H-“ („hybrid“) pro enzymy syntetizované v laboratoři.[5] Dále je třípísmenný název odvozen od binomální název organismu, přičemž jedno velké písmeno z rod jméno a dvě malá písmena z charakteristický název. (Míchání se obvykle provádí u hybridních enzymů.) Nakonec římská číslice rozlišuje různé enzymy nalezené ve stejném organismu:
- PI-TliII (P30317) je druhý identifikovaný enzym kódovaný pomocí intein nalezen v archaea Thermococcus litoralis.[6][7][8]
- H-DreI (PDB: 1 MOW) Je první syntetická naváděcí endonukleáza, vytvořená v laboratoři z enzymů I-DmoI (P21505) a I-CreI (P05725), převzato z Desulfurococcus mobilis a Chlamydomonas reinhardtii.[5][9]
Srovnání s restrikčními enzymy
Naváděcí endonukleázy se liší od Restrikční enzymy typu II v několika ohledech:[4]
- Zatímco restrikční enzymy typu II se vážou krátce, obvykle symetricky, rozpoznávací sekvence 4 až 8bp naváděcí endonukleázy se vážou velmi dlouho a v mnoha případech asymetrické rozpoznávací sekvence trvající 12 až 40 bp.
- Naváděcí endonukleázy jsou obecně tolerantnější k substitucím v rozpoznávací sekvenci. Drobné variace v rozpoznávací sekvenci obvykle snižují aktivitu naváděcích endonukleáz, ale často ji úplně nezruší, jak se často vyskytuje u restrikčních enzymů.[10][11]
- Domovské endonukleázy sdílet strukturální motivy které naznačují, že existují čtyři rodiny, zatímco nebylo možné určit jednoduše rozpoznatelné a rozlišitelné rodiny restrikčních enzymů typu II.
- Domovské endonukleázy působí jako monomery nebo homodimery a často vyžadují přidružené proteiny k regulaci jejich aktivity[12] nebo formulář ribonukleoproteinové komplexy, kde RNA je nedílnou součástí katalytického zařízení.[13] Restrikční enzymy typu II mohou také fungovat samostatně, jako monomery nebo homodimery,[14] nebo s dalšími proteinové podjednotky,[15] ale doplňkové podjednotky se liší od podjednotek naváděcích endonukleáz. Mohou tedy pro svoji činnost vyžadovat podjednotky omezení, modifikace a specificity.[15]
- A konečně, naváděcí endonukleázy mají širší fylogenetické distribuce, vyskytující se ve všech třech biologické domény —The archaea, bakterie a eukarya. Restrikční enzymy typu II se vyskytují pouze u archaeí, bakterií a určitých virů.[16][17][18] Naváděcí endonukleázy jsou také exprimovány ve všech třech oddíly eukaryotické buňky: jádra, mitochondrie a chloroplasty. Otevřené čtecí rámce kódující naváděcí endonukleázy byly nalezeny v introny, inteins a ve volně stojící formě mezi geny, zatímco geny kódující geny pro restrikční enzymy typu II byly nalezeny pouze ve volně stojící formě, téměř vždy v těsné souvislosti s geny kódujícími příbuzné DNA modifikující enzymy.[19] Zatímco tedy restrikční enzymy typu II a naváděcí endonukleázy sdílejí funkci štěpení dvouvláknové DNA, zdá se, že se vyvinuly nezávisle.
Strukturální rodiny
|
Endonukleáza LAGLIDADG | |||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Identifikátory | |||||||||
Symbol | LAGLIDADG_1 | ||||||||
Pfam | PF00961 | ||||||||
Pfam klan | CL0324 | ||||||||
InterPro | IPR001982 | ||||||||
KOCOUR | 1af5 | ||||||||
SCOP2 | 1af5 / Rozsah / SUPFAM | ||||||||
| |||||||||
Viz vstup do klanu pro příbuzné rodiny Pfam. |
GIY-YIG endonukleáza, katalytická | |||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Identifikátory | |||||||||
Symbol | GIY-YIG | ||||||||
Pfam | PF01541 | ||||||||
InterPro | IPR000305 | ||||||||
STRÁNKA | PS50164 | ||||||||
KOCOUR | 1mk0 | ||||||||
SCOP2 | 1mk0 / Rozsah / SUPFAM | ||||||||
|
V současné době existuje šest známých strukturálních rodin. Jejich konzervované strukturální motivy jsou:[4]
- LAGLIDADG: Každý polypeptid má 1 nebo 2 motivy LAGLIDADG. Sekvence LAGLIDADG je konzervativní sekvence aminokyseliny kde každé písmeno je kód, který identifikuje konkrétní reziduum. Tato sekvence je přímo zapojena do procesu dělení DNA. Tyto enzymy, které mají pouze jeden motiv, fungují jako homodimery a vytvářejí sedlo, které interaguje s hlavní drážka každého polovičního místa DNA. Motivy LAGLIDADG přispívají aminokyselinovými zbytky jak k rozhraní protein-protein mezi proteinovými doménami nebo podjednotkami, tak k aktivním místům enzymu. Enzymy, které mají dva motivy v jednom proteinovém řetězci, fungují jako monomery a vytvářejí sedlo podobným způsobem. První struktury, které měly být určeny pro naváděcí endonukleázy (PI-SceI a I-CreI, obě hlášené v roce 1997), byly obě ze strukturní rodiny LAGLIDADG.,[20][21] Následující rok byla také popsána první struktura naváděcí endonukleázy (I-CreI) navázaná na své cílové místo DNA.[9]
- GIY-YIG: Ty mají pouze jeden GIY-YIG motiv v N-terminál oblast, která interaguje s DNA v místě řezu. Prototypickým enzymem této rodiny je I-TevI, který působí jako monomer. Byly hlášeny samostatné strukturní studie DNA-vazebných a katalytických domén I-TevI, přičemž první se váže na svůj cíl DNA a druhá v nepřítomnosti DNA.,[22][23]
- Krabice His-Cys (Pfam PF05551 ): Tyto enzymy mají oblast 30 aminokyselin, která zahrnuje 5 konzervovaných zbytků: dva histidiny a tři cysteiny. Ony koordinovat kation kovu potřebný pro katalýzu. I-PpoI je nejlépe charakterizovaný enzym z této rodiny a působí jako homodimer. Jeho struktura byla uvedena v roce 1998.[24] Pravděpodobně to souvisí s rodinou H-N-H, protože sdílejí společné rysy.[25]
- H-N-H: (Pfam CL0263 ): Ty mají a konsensuální sekvence přibližně 30 aminokyselin. Zahrnuje dva páry konzervovaných histidiny a jeden asparagin které vytvářejí zinkový prst doména. I-HmuI (P34081) je nejlépe charakterizovaným enzymem této rodiny a působí jako monomer. Jeho struktura byla uvedena v roce 2004 (PDB: 1U3E).[26]
- PD- (D / E) xK (Pfam CL0236 ): Tyto enzymy obsahují kanonickou nukleázovou katalytickou doménu, která se obvykle nachází v restrikčních endonukleázách typu II. Nejlépe charakterizovaný enzym v této rodině, I-Ssp6803I (Q57253), působí jako tetramer. Jeho struktura byla vykázána v roce 2007 (PDB: 2OST).[27] Celkový záhyb je zachován v mnoha endonukleázových rodinách, které všechny patří do superrodiny PD- (D / E) xK.[28]
- Vsr-like / EDxHD (DUF559, InterPro: IPR007569 ): Tyto enzymy byly objeveny v globální oceánské vzorkové metagenomické databázi a poprvé popsány v roce 2009. Termín „podobný Vsr“ označuje přítomnost C-koncové nukleázové domény, která vykazuje rozpoznatelnou homologii s bakteriálními Velmi krátká oprava opravy (Vsr) endonukleázy.[29] Struktura byla vyřešena v roce 2011, což potvrzuje homologii Vsr.[30] Je považován za součást nadrodiny PD- (D / E) xk.[28]
Architektura domény
Nápověda související s Hom_end | |||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
krystalová struktura miniprekurzoru pi-scei | |||||||||
Identifikátory | |||||||||
Symbol | Hom_end_hint | ||||||||
Pfam | PF05203 | ||||||||
Pfam klan | CL0363 | ||||||||
InterPro | IPR007868 | ||||||||
SCOP2 | 1 gpp / Rozsah / SUPFAM | ||||||||
| |||||||||
Intein motiv větší domény LAGLIDADG Hom_end. |
Kvasinková endonukleáza PI-Sce je endonukleáza typu LAGLIDADG kódovaná jako intein který se spojí z jiného proteinu (P17255). Struktura s vysokým rozlišením odhaluje dva domén: endonukleolytické centrum připomínající C-terminál doména Ježkové proteiny a Nápověda doména (Hedgehog / Intein) pro dosažení proteinového sestřihu Aktivní stránky.[31]
Viz také
- REBASE, komplexní databáze restrikčních enzymů z New England Biolabs s odkazy na související literaturu.
- Seznam naváděcích míst pro dělení endonukleáz
- I-CreI naváděcí endonukleáza
- Meganukleázy
- Restrikční enzym
- Introny a inteins
- Intragenomový konflikt: Homing endonukleázové geny
- Transposon
Reference
- ^ Edgell DR (únor 2009). „Sobecká DNA: naváděcí endonukleázy nacházejí domov“. Curr Biol. 19 (3): R115 – R117. doi:10.1016 / j.cub.2008.12.019. PMID 19211047. S2CID 2380439.
- ^ Jasin M (červen 1996). "Genetická manipulace genomontu se vzácnými endonukleázami". Trendy Genet. 12 (6): 224–8. doi:10.1016/0168-9525(96)10019-6. PMID 8928227.
- ^ A b Burt A, Koufopanou V (prosinec 2004). „Homing endonukleáza geny: vzestup a pokles a opět vzestup sobeckého prvku“. Curr Opin Genet Dev. 14 (6): 609–15. doi:10.1016 / j.gde.2004.09.010. PMID 15531154.
- ^ A b C Belfort M, Roberts RJ (září 1995). „Domácí endonukleázy: udržování pořádku v domě“. Nucleic Acids Res. 25 (17): 3379–88. doi:10.1093 / nar / 25.17.3379. PMC 146926. PMID 9254693.
- ^ A b Chevalier BS, Kortemme T, Chadsey MS, Baker D, Monnat RJ, Stoddard BL (říjen 2002). "Návrh, aktivita a struktura vysoce specifické umělé endonukleázy". Mol. Buňka. 10 (4): 895–905. doi:10.1016 / S1097-2765 (02) 00690-1. PMID 12419232.
- ^ Hirata R, Ohsumk Y, Nakano A, Kawasaki H, Suzuki K, Anraku Y (duben 1990). "Molekulární struktura genu, VMA1, kódující katalytickou podjednotku H (+) - translokační adenosintrifosfatázy z vakuolárních membrán Saccharomyces cerevisiae". J Biol Chem. 265 (12): 6726–33. PMID 2139027.
- ^ Kane PM, Yamashiro CT, Wolczyk DF, Neff N, Goebl M, Stevens TH (listopad 1990). „Proteinové sestřih konvertuje produkt genu kvasinek TFP1 na podjednotku 69 kD vakuolární H (+) - adenosintrifosfatázy“. Věda. 250 (4981): 651–7. Bibcode:1990Sci ... 250..651K. doi:10.1126 / science.2146742. PMID 2146742.
- ^ Perler FB, Comb DG, Jack WE, Moran LS, Qiang B, Kučera RB, Benner J, Slatko BE, Nwankwo DO, Hempstead SK, Carlow CK, Jannasch H (červen 1992). „Interferující sekvence v genu DNA polymerázy Archaea“. PNAS. 89 (12): 5577–81. Bibcode:1992PNAS ... 89.5577P. doi:10.1073 / pnas.89.12.5577. PMC 49335. PMID 1608969.
- ^ A b C Jurica MS, Monnat RJ, Stoddard BL (říjen 1998). „Rozpoznávání a štěpení DNA pomocí naváděcí endonukleázy I-CreI LAGLIDADG“ (PDF). Mol. Buňka. 2 (4): 469–76. doi:10.1016 / S1097-2765 (00) 80146-X. PMID 9809068.
- ^ Gimble FS, Wang J (říjen 1996). „Rozpoznávání substrátu a indukované zkreslení DNA endonukleázou PI-Scel, enzym generovaný sestřihem proteinu“. J Mol Biol. 263 (2): 163–80. doi:10.1006 / jmbi.1996.0567. PMID 8913299.
- ^ Argast GM, Stephens KM, Emond MJ, Monnat RJ (červenec 1998). „Degenerace sekvence naváděcího místa I-PpoI a I-CreI určená náhodnou mutagenezí a následným obohacením in vitro“. J Mol Biol. 280 (3): 345–53. doi:10.1006 / jmbi.1998.1886. PMID 9665841.
- ^ Shibata T, Nakagawa K, Morishima N (1995). "Multi-site-specific endonukleázy a zahájení homologní genetické rekombinace v kvasinkách". Adv Biophys. 31: 77–91. doi:10.1016 / 0065-227X (95) 99384-2. PMID 7625280.
- ^ Zimmerly S, Guo H, Eskes R, Yang J, Perlman PS, Lambowitz AM (listopad 1995). „Intron RNA skupiny II je katalytická složka endonukleázy DNA zapojené do intronové mobility“. Buňka. 83 (4): 529–38. doi:10.1016/0092-8674(95)90092-6. PMID 7585955. S2CID 10456475.
- ^ Linn, Stuart M; Lloyd, R Stephen; Roberts, Richard J (prosinec 1993). Nukleázy. Cold Spring Harbor Press. str. 35–88. ISBN 978-0-87969-426-5.
- ^ A b Linn, Stuart M; Lloyd, R Stephen; Roberts, Richard J (prosinec 1993). Nukleázy. Cold Spring Harbor Press. str. 89–109. ISBN 978-0-87969-426-5.
- ^ Roberts RJ, Macelis D (leden 1997). „REBASE-restrikční enzymy a methylázy“. Nucleic Acids Res. 25 (1): 248–62. doi:10.1093 / nar / 25.1.248. PMC 146408. PMID 9016548.
- ^ Lambowitz AM, Belfort M (1993). "Introny jako mobilní genetické prvky". Annu Rev Biochem. 62: 587–622. doi:10.1146 / annurev.bi.62.070193.003103. PMID 8352597.
- ^ Linn, Stuart M; Lloyd, R Stephen; Roberts, Richard J (prosinec 1993). Nukleázy. Cold Spring Harbor Press. 111–143. ISBN 978-0-87969-426-5.
- ^ Wilson GG (prosinec 1988). „Klonované systémy omezení a modifikace - recenze“. Gen. 74 (1): 281–9. doi:10.1016/0378-1119(88)90304-6. PMID 3074014.
- ^ Heath, P .; et al. (Červen 1997). "Struktura I-Crel, skupina I intronově kódované naváděcí endonukleázy". Přírodní strukturní biologie. 4 (6): 468–476. doi:10.1038 / nsb0697-468. PMID 9187655. S2CID 12261983.
- ^ Duan, X. (květen 1997). "Krystalová struktura PI-Scel, naváděcí endonukleáza s aktivitou sestřihu proteinu". Buňka. 89 (4): 555–564. doi:10.1016 / S0092-8674 (00) 80237-8. PMID 9160747. S2CID 14156646.
- ^ Van Roey, P .; Fox, KM; et al. (Červenec 2001). „Propletená struktura domény vázající DNA intronové endonukleázy I-TevI s jejím substrátem“. EMBO J.. 20 (14): 3631–3637. doi:10.1093 / emboj / 20.14.3631. PMC 125541. PMID 11447104.
- ^ Van Roey, P .; Kowalski, Joseph C .; et al. (Červenec 2002). "Struktura katalytické domény a hypotéza pro funkci intronové endonukleázy GIY-YIG I-TevI". Přírodní strukturní biologie. 9 (11): 806–811. doi:10.1038 / nsb853. PMID 12379841. S2CID 24856337.
- ^ Flick, K .; et al. (Červenec 1998). „Vazba DNA a štěpení naváděcí endonukleázou I-PpoI kódovanou nukleárním intronem“. Příroda. 394 (6688): 96–101. Bibcode:1998 Natur.394 ... 96F. doi:10.1038/27952. PMID 9665136. S2CID 4427957.
- ^ Hafez, M; Hausner, G (srpen 2012). „Naváděcí endonukleázy: nůžky DNA na misi“. Genom. 55 (8): 553–69. doi:10.1139 / g2012-049. PMID 22891613.
- ^ Shen, B.W .; et al. (Září 2004). "Vazba a štěpení DNA HNH naváděcí endonukleázou I-HmuI". J. Mol. Biol. 342 (1): 43–56. doi:10.1016 / j.jmb.2004.07.032. PMID 15313606.
- ^ Zhao, L .; et al. (Květen 2007). „Restrikční řasa se obrací k temné straně: bakteriální naváděcí endonukleáza s motivem PD- (D / E) -XK“. EMBO Journal. 26 (9): 2432–2442. doi:10.1038 / sj.emboj.7601672. PMC 1864971. PMID 17410205.
- ^ A b Steczkiewicz, K; Muszewska, A; Knizewski, L; Rychlewski, L; Ginalski, K (srpen 2012). "Sekvence, struktura a funkční rozmanitost nadrodiny fosfodiesterázy PD- (D / E) XK". Výzkum nukleových kyselin. 40 (15): 7016–45. doi:10.1093 / nar / gks382. PMC 3424549. PMID 22638584.
- ^ Dassa, B .; et al. (Březen 2009). „Zlomené geny: nové genomové uspořádání zahrnující nové dělené inteiny a novou naváděcí endonukleázovou rodinu“. Výzkum nukleových kyselin. 37 (8): 2560–2573. doi:10.1093 / nar / gkp095. PMC 2677866. PMID 19264795.
- ^ Taylor, GK; Heiter, DF; Pietrokovski, S; Stoddard, BL (prosinec 2011). „Aktivita, specifičnost a struktura I-Bth0305I: zástupce nové naváděcí endonukleázové rodiny“. Výzkum nukleových kyselin. 39 (22): 9705–19. doi:10.1093 / nar / gkr669. PMC 3239194. PMID 21890897.
- ^ Moure CM, Gimble FS, Quiocho FA (říjen 2002). "Krystalová struktura intein navádějící endonukleázy PI-Scel vázaná na jeho rozpoznávací sekvenci". Nat. Struct. Biol. 9 (10): 764–70. doi:10.1038 / nsb840. PMID 12219083. S2CID 40192379.
externí odkazy
- Perler FB. „InBase“. Archivovány od originál dne 2. 8. 2010. Citováno 2010-08-09.
Databáze a registr Intein (od New England Biolabs)
- Perler FB (leden 2002). „InBase: databáze Intein“. Nucleic Acids Res. 30 (1): 383–4. doi:10.1093 / nar / 30.1.383. PMC 99080. PMID 11752343.