Mnohonásobná jednovláknová DNA - Multicopy single-stranded DNA

msDNA z Stigmatella aurantiaca ve srovnání s msDNA od blízce příbuzných Myxococcus xanthus. Hypervariabilní doména v sekvenci DNA je šedě zastíněna. Vysoce konzervovaná sekvence AGC RNA včetně větve G je stínována růžově. Místo štěpení RNA mezi prekurzorem a produktovými formami msDNA je označeno červeným trojúhelníkem. Překresleno z Dhundale et al.[1]

Mnohonásobná jednovláknová DNA (msDNA) je typ extrachromozomálního satelitní DNA který se skládá z jednořetězcového DNA molekula kovalentně spojená přes 2'-5 'fosfodiesterová vazba na interní guanosin z RNA molekula. Výsledná chiméra DNA / RNA má dvě kmenové smyčky připojena větví podobnou větvím nalezeným v Sestřih RNA meziprodukty. Oblast kódování pro msDNA, nazývaná „retron ", také kóduje typ reverzní transkriptáza, který je nezbytný pro syntézu msDNA.[2]

Objev

Před objevením msDNA v myxobakterie,[3][4] skupina rojení, půdy bakterie, předpokládalo se, že enzymy známé jako reverzní transkriptázy (RT) existoval pouze v eukaryoty a viry. Objev vedl ke zvýšení výzkumu v této oblasti. Ve výsledku bylo zjištěno, že msDNA je široce distribuována mezi bakteriemi, včetně různých kmenů Escherichia coli a patogenní bakterie.[5] Další výzkum objevil podobnosti mezi HIV -kódovaná reverzní transkriptáza a an otevřený čtecí rámec (ORF) nalezený v oblasti kódující msDNA. Testy potvrdily přítomnost aktivity reverzní transkriptázy v surových lyzátech kmenů obsahujících retron.[6] Ačkoli RNáza H doména byla předběžně identifikována v retronovém ORF, později bylo zjištěno, že aktivita RNasy H požadovaná pro syntézu msDNA je ve skutečnosti dodávána hostitelem.[7]

Retrony

Hlavní článek: Retron

Objev msDNA vedl k širším otázkám ohledně původu reverzní transkriptázy, protože geny kódující reverzní transkriptázu (ne nutně spojené s msDNA) byly nalezeny u prokaryot, eukaryot, virů a dokonce archaea. Po fragmentu DNA kódujícím produkci msDNA v E-coli byl objeven,[8] to se domnívalo bakteriofágy mohl být zodpovědný za zavedení genu RT do E-coli.[9] Tyto objevy naznačují, že reverzní transkriptáza hrála roli ve vývoji virů z bakterií, s jednou hypotézou, že s pomocí reverzní transkriptázy mohly viry vzniknout jako odtržený gen msDNA, který získal proteinový obal. Protože téměř všechny geny RT fungují v retrovirus replikace a / nebo pohyb transponovatelné prvky, je rozumné si představit, že retrony mohou být mobilní genetické prvky, ale existuje jen málo podpůrných důkazů pro takovou hypotézu, s výjimkou pozorované skutečnosti, že msDNA je široce, ale sporadicky rozptýlena mezi bakteriálními druhy způsobem naznačujícím horizontální i vertikální převod.[5][10][11] Protože není známo, zda retronové sekvence per se představují mobilní prvky, retrony jsou funkčně definovány jejich schopností produkovat msDNA, přičemž se záměrně vyhýbají spekulacím o dalších možných činnostech.

Funkce

Funkce msDNA zůstává neznámá, i když je v buňkách přítomno mnoho kopií. Knockout mutace, které neexprimují msDNA, jsou životaschopné, takže produkce msDNA není pro život v laboratorních podmínkách nezbytná. Nadměrná exprese msDNA je mutagenní, zjevně jako výsledek titrace opravných proteinů neodpovídajícími páry bází, které jsou typické pro jejich strukturu.[10] Bylo navrženo, že msDNA může hrát určitou roli v patogenitě nebo adaptaci na stresující podmínky.[12] Sekvenční srovnání msDNA z Myxococcus xanthus, Stigmatella aurantiaca,[1] a mnoho dalších bakterií[5][12] odhalují konzervované a hypervariabilní domény připomínající konzervované a hypervariabilní sekvence nalezené v alorekognačních molekulách.[13] Hlavní msDNA z M. xanthus a S. aurantiacanapříklad sdílejte 94% homologii sekvence s výjimkou domény 19 párů bází, která sdílí sekvenční homologii pouze 42%.[1] Přítomnost těchto domén je významná, protože myxobakterie vykazují složité kooperativní sociální chování, včetně rojení a tvorby plodnic, zatímco E-coli a tvoří se další patogenní bakterie biofilmy které vykazují zvýšenou odolnost vůči antibiotikům a detergentům. Udržitelnost sociálních shromáždění, která vyžadují významné individuální investice energie, obecně závisí na vývoji alorecognition mechanismy, které skupinám umožňují odlišit sebe od sebe.[14]

Biosyntéza

Navrhovaný mechanismus pro syntézu msDNA. (A) Přeložení RNA-templátové RNA do sekundární struktury umožňuje, aby 2'-OH skupina specifického větvícího se G zbytku sloužila jako primer pro zahájení syntézy cDNA retronovou reverzní transkriptázou. (B) Syntéza cDNA je doprovázena štěpením templátového řetězce RNázou H. (C) V dokončené molekule msDNA zůstává část templátu RNA připojena k 5 'konci cDNA.[10]

Biosyntéza msDNA má údajně sledovat jedinečnou cestu, která se v biochemii DNA / RNA nenachází nikde jinde. Vzhledem k podobnosti odbočky 2'-5 's odbočkami odboček nalezenými v RNA sestřihových meziproduktech by se zpočátku dalo očekávat, že tvorba větve bude přes spliceosome - nebo ribozym zprostředkovaná ligace. Překvapivě to však naznačují experimenty v bezbuněčných systémech využívajících purifikovanou retronovou reverzní transkriptázu cDNA syntéza je přímo připravena ze 2'-OH skupiny specifického vnitřního G zbytku primerové RNA.[15] RT rozpoznává specifické struktury kmenové smyčky v prekurzorové RNA, čímž činí syntézu msDNA RT vysoce specifickou pro svůj vlastní retron.[16] Aktivace syntézy msDNA nabízí fascinující výzvu pro naše chápání syntézy DNA. DNA polymerázy (které zahrnují RT) sdílejí vysoce konzervované strukturní rysy, což znamená, že jejich aktivní katalytická místa se liší od druhu k druhu, nebo dokonce mezi DNA polymerázami s použitím DNA jako templátu, oproti DNA polymerázám s použitím RNA jako templátu. Katalytická oblast eukaryotické reverzní transkriptázy obsahuje tři domény nazývané „prsty“, „dlaň“ a „palec“, které drží dvouvláknový primerový templát v pravém sevření s 3'-OH primeru pohřben v aktivní místo polymerázy,[17] shluk vysoce konzervovaných kyselých a polárních zbytků nacházejících se na dlani mezi ukazovákem a prostředníkem. U eukaryotických RT leží doména RNasy H na zápěstí pod základnou palce, ale retronovým RT chybí aktivita RNázy H. Štěrbina vázající nukleovou kyselinu, rozprostírající se od aktivního místa polymerázy k aktivnímu místu RNázy H, je u eukaryotických RT dlouhá asi 60 Á, což odpovídá téměř dvěma spirálovým závitům.[18] Když eukaryotická RT rozšiřuje konvenční primer, rostoucí DNA / RNA dvojitá šroubovice spirálovitě podél štěrbiny, a jak dvojitá šroubovice prochází doménou RNázy H, templátová RNA je štěpena, aby uvolnila rodící se vlákno cDNA. V případě prodloužení primeru msDNA však zůstává dlouhé vlákno RNA připojené k 3'-OH primeru G. Ačkoli je možné modelovat templátový komplex RT-primeru, který by 2'-OH zpřístupnil pro reakce nasávání[16] další prodloužení řetězce DNA představuje problém: s postupující syntézou DNA je třeba, aby objemné vlákno RNA táhnoucí se od 3'-OH spirálovitě sestupovalo po vazebné štěrbině, aniž by bylo blokováno sterická překážka. K překonání tohoto problému by reverzní transkriptáza msDNA zjevně vyžadovala speciální funkce, které nesdílejí ostatní RT.[10]

Reference

  1. ^ A b C Dhundale A, Lampson B, Furuichi T, Inouye M, Inouye S (prosinec 1987). "Struktura msDNA z Myxococcus xanthus: důkazy o dlouhém, samo žíhajícím prekurzoru RNA pro kovalentně vázanou rozvětvenou RNA". Buňka. 51 (6): 1105–12. doi:10.1016/0092-8674(87)90596-4. PMID  2446773.
  2. ^ Inouye S, Herzer PJ, Inouye M (únor 1990). "Dva nezávislé retrony s vysoce různorodými reverzními transkriptázami v Myxococcus xanthus". Sborník Národní akademie věd Spojených států amerických. 87 (3): 942–5. Bibcode:1990PNAS ... 87..942I. doi:10.1073 / pnas.87.3.942. PMC  53385. PMID  1689062.
  3. ^ Yee T, Furuichi T, Inouye S, Inouye M (srpen 1984). "Vícekópická jednovláknová DNA izolovaná z gramnegativní bakterie Myxococcus xanthus". Buňka. 38 (1): 203–9. doi:10.1016/0092-8674(84)90541-5. PMID  6088065.
  4. ^ Furuichi T, Inouye S, Inouye M (leden 1987). „Biosyntéza a struktura stabilní rozvětvené RNA kovalentně spojená s 5 'koncem vícekópní jednovláknové DNA Stigmatella aurantiaca“. Buňka. 48 (1): 55–62. doi:10.1016/0092-8674(87)90355-2. PMID  2431795.
  5. ^ A b C Das R, Shimamoto T, Hosen SM, Arifuzzaman M (2011). „Srovnávací studie různých struktur msDNA (víceskopická jednořetězcová DNA) a fylogenetické srovnání reverzních transkriptáz (RT): důkazy o vertikální dědičnosti“ (PDF). Bioinformace. 7 (4): 176–9. doi:10.6026/97320630007176. PMC  3218519. PMID  22102774.
  6. ^ Lampson BC, Sun J, Hsu MY, Vallejo-Ramirez J, Inouye S, Inouye M (únor 1989). „Reverzní transkriptáza v klinickém kmeni Escherichia coli: produkce rozvětvené RNA vázané na msDNA“ (PDF). Věda. 243 (4894 Pt 1): 1033–8. Bibcode:1989Sci ... 243.1033L. doi:10.1126 / science.2466332. PMID  2466332. Archivovány od originál (PDF) dne 2014-12-22. Citováno 2012-02-08.
  7. ^ Lima TM, Lim D (květen 1995). "Izolace a charakterizace hostitelských mutantů defektních v syntéze msDNA: role ribonukleázy H v syntéze msDNA". Plasmid. 33 (3): 235–8. doi:10.1006 / plas.1995.1026. PMID  7568472.
  8. ^ Hsu MY, Inouye M, Inouye S (prosinec 1990). „Retron pro 67-bázovou víceskopírovou jednořetězcovou DNA z Escherichia coli: potenciální transponovatelný prvek kódující funkce reverzní transkriptázy i Dam methylázy“. Sborník Národní akademie věd Spojených států amerických. 87 (23): 9454–8. Bibcode:1990PNAS ... 87.9454H. doi:10.1073 / pnas.87.23.9454. PMC  55184. PMID  1701261.
  9. ^ Inouye S .; Inouye M. (1993). "Bakteriální reverzní transkriptáza". V Goff, Stephen a Anna M. Skalka (ed.). Reverzní transkriptáza. Řada monografií Cold Spring Harbor. 23. Plainview, NY: Cold Spring Harbor Laboratory Press. ISBN  978-0-87969-382-4.
  10. ^ A b C d Lampson BC, Inouye M, Inouye S (2005). „Retrony, msDNA a bakteriální genom“ (PDF). Cytogenetický a genomový výzkum. 110 (1–4): 491–9. doi:10.1159/000084982. PMID  16093702. Archivovány od originál (PDF) dne 2016-03-05. Citováno 2012-02-08.
  11. ^ Simon DM, Zimmerly S (prosinec 2008). „Rozmanitost necharakterizovaných reverzních transkriptáz v bakteriích“. Výzkum nukleových kyselin. 36 (22): 7219–29. doi:10.1093 / nar / gkn867. PMC  2602772. PMID  19004871.
  12. ^ A b Das R, Shimamoto T, Arifuzzaman M (2011). „Nový kmen msDNA (vícekópní jednovláknová DNA) přítomný v Yersinia frederiksenii ATCC 33641 Contig01029 Enteropatogenní bakterie s genomickou analýzou jeho retronu“. Journal of Pathogens. 2011 (693769): 693769. doi:10.4061/2011/693769. PMC  3335539. PMID  22567337.
  13. ^ Sherman LA, Chattopadhyay S (1993). Msgstr "Molekulární podstata alorecognition". Výroční přehled imunologie. 11: 385–402. doi:10.1146 / annurev.iy.11.040193.002125. PMID  8476567.
  14. ^ Buss, Leo (2006). Evoluce individuality. Princeton University Press. ISBN  978-0-691-08469-5.
  15. ^ Shimamoto T, Kawanishi H, Tsuchiya T, Inouye S, Inouye M (červen 1998). „Syntéza víceřetězcové jednovláknové DNA in vitro za použití oddělených primerů a templátových RNA pomocí reverzní transkriptázy Escherichia coli“. Journal of Bacteriology. 180 (11): 2999–3002. doi:10.1128 / JB.180.11.2999-3002.1998. PMC  107272. PMID  9603895.
  16. ^ A b Inouye S, Hsu MY, Xu A, Inouye M (říjen 1999). „Vysoce specifické rozpoznávání struktur primerové RNA pro reakci primování 2'-OH bakteriálními reverzními transkriptázami“. The Journal of Biological Chemistry. 274 (44): 31236–44. doi:10.1074 / jbc.274.44.31236. PMID  10531319.
  17. ^ Jacobo-Molina A, Ding J, Nanni RG, Clark AD, Lu X, Tantillo C, Williams RL, Kamer G, Ferris AL, Clark P (červenec 1993). „Krystalová struktura reverzní transkriptázy viru lidské imunodeficience typu 1 v komplexu s dvouvláknovou DNA při rozlišení 3,0 A ukazuje ohnutou DNA“. Sborník Národní akademie věd Spojených států amerických. 90 (13): 6320–4. Bibcode:1993PNAS ... 90.6320J. doi:10.1073 / pnas.90.13.6320. PMC  46920. PMID  7687065.
  18. ^ Sarafianos SG, Das K, Tantillo C, Clark AD, Ding J, Whitcomb JM, Boyer PL, Hughes SH, Arnold E (březen 2001). "Krystalová struktura HIV-1 reverzní transkriptázy v komplexu s polypurinovým traktem RNA: DNA". Časopis EMBO. 20 (6): 1449–61. doi:10.1093 / emboj / 20.6.1449. PMC  145536. PMID  11250910.

Další čtení