Nick (DNA) - Nick (DNA)

A přezdívka je diskontinuita ve dvouvláknové DNA molekula, kde není fosfodiesterová vazba mezi sousedními nukleotidy jednoho pramen obvykle poškozením nebo enzym akce. Nicks umožňuje DNA řetězce rozmotat během replikace, a je také myšlenka hrát roli v Oprava nesouladu DNA mechanismy, které opravují chyby na předních i zaostávajících dceřiných řetězcích.[1]

Tvorba škrábanců

Schéma ukazuje zkroucené účinky nicků na protínající se DNA plazmid. Nicking lze použít k rozptýlení energie zadržované protínajícími se stavy. Zářezy umožňují DNA získat kruhový tvar.[2]

Diagram ukazuje účinky nicků na protínající se formy DNA. Plazmid je pevně navinut do negativní nadzávitnice (a). K uvolnění protínajících se stavů musí být uvolněna torzní energie pomocí zářezů (b). Po zavedení nicku do systému se negativní supercoil postupně odvíjí (c), dokud nedosáhne svého konečného, ​​kruhového, plazmidového stavu (d).[2]

Nicked DNA může být výsledkem poškození DNA nebo záměrných, regulovaných biomolekulárních reakcí prováděných v buňce. Během zpracování může být DNA proříznuta fyzickým stříháním, přesušením nebo enzymy. Nadměrné hrubé zacházení při pipetování nebo víření vytváří fyzické napětí, které může vést k prasknutí a škrábnutí v DNA. Nadměrné vysušení DNA může také narušit fosfodiesterovou vazbu v DNA a způsobit škrábance. Nicking endonukleázové enzymy může pomoci s tímto procesem. Jednořetězcový zlom (nick) v DNA může být vytvořen hydrolýzou a následným odstraněním fosfátové skupiny ve spirálovém páteři. To vede k jiné konformaci DNA, kde se místo chybějícího kousku páteře DNA vytvoří vodíková vazba, aby se zachovala struktura.[3]

Opravy zářezů

Ligázy jsou všestranné a všudypřítomné enzymy které spojují 3 'hydroxylové a 5' fosfátové konce a vytvářejí fosfodiesterovou vazbu, což je činí nezbytnými při opravě vroubkované DNA a nakonec věrnosti genomu. Tato biologická role byla také nesmírně cenná při utěsňování lepivé konce plazmidů v molekulárním klonování. O jejich důležitosti svědčí fakt, že většina organismů má více ligáz určených pro specifické cesty opravy DNA. U eubakterií jsou tyto ligázy poháněny NAD + spíše než ATP.[4] Každé nickové místo vyžaduje 1 ATP nebo 1 NAD + k podpoře opravy ligázy.[4]

Minimalistický mechanismus uzavření DNA nicku DNA ligázou

Aby se spojily tyto fragmenty, ligáza postupuje třemi kroky:

  1. Doplnění adenosinmonofosfát (AMP) skupina na enzym, označovaná jako adenylylace,
  2. Přenos adenosinmonofosfátu do DNA a
  3. Niklové těsnění nebo tvorba fosfodiesterové vazby.[5][6]

Jedním konkrétním příkladem ligázového katalyzátoru niklového uzávěru je E-coli NAD + závislá DNA ligáza, LigA. LigA je relevantní příklad, protože je strukturálně podobný kladu enzymů vyskytujících se u všech typů bakterií.[7]

Ligázy mají vazebné místo pro kov, které je schopné rozeznávat škrábance v DNA. Ligáza tvoří komplex DNA-adenylát, který napomáhá rozpoznávání.[8] S lidskou DNA ligázou tvoří krystalizovaný komplex. Komplex, který má meziprodukt DNA – adenylát, umožňuje DNA ligáza I zavést konformační změnu v DNA pro izolaci a následnou opravu DNA nicku.[9]

Biologické důsledky

Úloha při opravě nesouladu

Jednořetězcové zářezy fungují jako rozpoznatelné markery, které pomáhají opravnému strojnímu zařízení odlišit nově syntetizovaný řetězec (dceřiný řetězec) od šablony (rodičovský řetězec).[1] Oprava nesouladu DNA (MMR) je důležitý systém pro opravu DNA, který pomáhá udržovat plasticitu genomu opravou neshod nebo párů bází jiných než Watson-Crick v duplexu DNA.[10] Některé zdroje neodpovídajících párů bází zahrnují chyby replikace a deaminace 5-methylcytosinové DNA za vzniku thyminu.MMR u většiny bakterií a eukaryoty je zaměřen na chybný řetězec nesprávně spárovaného duplexu prostřednictvím rozpoznávání diskontinuit řetězce, zatímco MMR u E. coli a blízce příbuzných bakterií je zaměřen na řetězec na základě absence methylace. Nicking endonukleázy zavádějí diskontinuity řetězců neboli DNA nicks pro oba příslušné systémy. Homology Mut L z eukaryot a většiny bakterií incizují diskontinuální řetězec, aby zavedly vstupní nebo koncový bod pro excitační reakci. Podobně v E. coli mutuje H H nemetylovaný řetězec duplexu, aby zavedl vstupní bod excize.[11]U eukaryot se mechanismus prodloužení replikace DNA mezi předním a zaostávajícím řetězcem liší. Na zaostávajícím řetězci existují zářezy mezi Okazaki fragmenty a jsou snadno rozpoznatelné pomocí strojů pro opravu nesouladu DNA před ligace. Vzhledem k nepřetržité replikaci, která se vyskytuje na předním řetězci, je mechanismus o něco složitější. Během replikace ribonukleotidy jsou přidávány replikačními enzymy a tyto ribonukleotidy jsou přezdívány enzymem zvaným RNáza H2.[1] Přítomnost nicku a ribonukleotidu společně činí hlavní řetězec snadno rozpoznatelným pro zařízení pro opravu nesouladu DNA.

Nick překlad je biologický proces, při kterém slouží jednořetězcový DNA nick jako marker DNA polymeráza excidovat a nahradit případně poškozené nukleotidy.[3] Na konci segmentu, na který působí DNA polymeráza, DNA ligáza musí opravit poslední segment páteře DNA, aby mohl dokončit proces opravy.[4] V laboratorním nastavení to lze použít k zavedení fluorescenční nebo jiné značené nukleotidy záměrnou indukcí místně specifických, jednořetězcových vrubů v DNA in vitro a poté přidání vroubkované DNA do prostředí bohatého na DNA polymerázu a značený nukleotid. DNA polymeráza poté nahradí DNA nukleotidy značenými, počínaje místem jednořetězcového nicku.

Role v replikaci a transkripci

Nicked DNA hraje důležitou roli v mnoha biologických funkcích. Například jednořetězcové zářezy v DNA mohou sloužit jako účelné biologické markery pro enzym topoizomeráza která odvíjí zabalenou DNA a je pro ni kritická replikace DNA a přepis. V těchto případech není proříznutá DNA výsledkem nežádoucího poškození buněk.[2]

Topoizomeráza-1 přednostně působí na zářezy v DNA, aby se štěpily v sousedství zářezu, a poté navíjí nebo odvíjí složité topologie spojené s zabalenou DNA. Zde Nick v DNA slouží jako marker pro rozbití jednoho vlákna a následné rozvinutí.[12] Je možné, že se nejedná o vysoce konzervovaný proces. Topoizomeráza může způsobit krátké delece, když štěpí vazby, protože jak produkty DNA plné délky, tak řetězce krátké delece jsou považovány za produkty štěpení topoizomerázy, zatímco neaktivní mutanti produkovali pouze řetězce DNA plné délky.[13]

Zářezy v DNA také způsobují různé strukturální vlastnosti, mohou se podílet na opravách škod způsobených ultrafialový záření a používají se v primárních krocích, které to umožňují genetická rekombinace.[14]

Volnoběh Nick je biologický proces, při kterém může DNA polymeráza zpomalit nebo zastavit svou aktivitu přidávání bází k novému dceřinému řetězci během replikace DNA na nicku.[4] To je zvláště důležité pro Okazaki fragmenty v zaostávající vlákno v replikaci dvouřetězcové DNA, protože směr replikace je opačný ke směru DNA polymeráza, proto nick idling hraje roli při zablokování komplexu, protože se replikuje v opačném směru v malých fragmentech (Okazaki fragmenty) a musí se zastavit a přemístit se mezi každou délku fragmentu DNA.

Struktura DNA se změní, když je zaveden jednovláknový nick.[14] Stabilita se snižuje jako zlomení fosfodiesterová páteř umožňuje DNA k uvolnění, protože nahromaděnému stresu při kroucení a balení se již neodolává tak silně.[12] Nicked DNA je díky této snížené stabilitě náchylnější k degradaci.

V bakteriích

The nic stránky nebo nick region se nachází v rámci původ převodu (oriT) a je klíčem ke spuštění bakteriální konjugace. Jediný řetězec DNA, nazývaný T-vlákno, je řez na nic enzymem zvaným relaxase.[15] Toto jedno vlákno je nakonec přeneseno do buňky příjemce během procesu bakteriální konjugace. Než však k tomuto štěpení může dojít, je nutné, aby se k proteinu připojila skupina proteinů oriT stránky. Tato skupina proteinů se nazývá relaxosom.[15] Předpokládá se, že části oriT Místo se ohýbá způsobem, který vytváří interakci mezi proteiny relaxosomu a nic stránky.[15]

Štěpení T-vlákna zahrnuje relaxase řezání a fosfodiesterová vazba na hezkém místě.[15] Štěpené vlákno je ponecháno s hydroxylovou skupinou na 3 'konci, což může umožnit, aby vlákno po přesunu do recipientní buňky vytvořilo kruhový plazmid.[16][17]

Reference

  1. ^ A b C Williams JS, Kunkel TA. Ribonukleotidy v DNA: Počátky, opravy a důsledky. Oprava DNA. 2014; 19: 27-37. doi: 10.1016 / j.dnarep.2014.03.029
  2. ^ A b C Chao Ji, Lingyun Zhang a Pengye Wang, “Konfigurační přechody volného kruhového systému DNA vyvolané Nicky, „Journal of Nanomaterials, vol. 2015, Article ID 546851, 7 pages, 2015. doi: 10.1155 / 2015/546851
  3. ^ A b Aymami, J .; Coll, M .; Marel, G. A. van der; Boom, J. H. van; Wang, A.H .; Rich, A. (01.04.1990). „Molekulární struktura prořezané DNA: substrát pro opravné enzymy DNA“. Sborník Národní akademie věd. 87 (7): 2526–2530. doi:10.1073 / pnas.87.7.2526. ISSN  0027-8424. PMC  53722. PMID  2320572.
  4. ^ A b C d Timson, David J; Singleton, Martin R; Wigley, Dale B (2000-08-30). "DNA ligázy při opravě a replikaci DNA". Mutační výzkum / Oprava DNA. 460 (3–4): 301–318. doi:10.1016 / S0921-8777 (00) 00033-1. PMID  10946235.
  5. ^ Ellenberger T, Tomkinson AE (2008). „Eukaryotické DNA ligázy: strukturální a funkční poznatky“. Annu. Biochem. 77: 313–38. doi:10,1146 / annurev.biochem.77.061306.123941. PMC  2933818. PMID  18518823.
  6. ^ Sriskanda V, Shuman S (leden 1998). „DNA ligáza viru chlorelly: rozpoznávání nicků a mutační analýza“. Nucleic Acids Res. 26 (2): 525–31. doi:10.1093 / nar / 26.2.525. PMC  147278. PMID  9421510.
  7. ^ Nandakumar, Jayakrishnan; Nair, Pravin A .; Shuman, Stewart (2007-04-27). „Poslední zastávka na cestě k opravě: struktura DNA ligázy E. coli navázaná na vroubkovanou DNA-adenylát“. Molekulární buňka. 26 (2): 257–271. doi:10.1016 / j.molcel.2007.02.026. ISSN  1097-2765. PMID  17466627.
  8. ^ Odell, Mark; Sriskanda, Verl; Shuman, Stewart; Nikolov, Dimitar B. (01.11.2000). „Krystalová struktura eukaryotické DNA ligázy – adenylátu osvětluje mechanismus Nick Sensing a spojování pramenů“. Molekulární buňka. 6 (5): 1183–1193. doi:10.1016 / S1097-2765 (00) 00115-5. PMID  11106756.
  9. ^ Pascal, John M .; O'Brien, Patrick J .; Tomkinson, Alan E .; Ellenberger, Tom (2004-11-25). „Lidská DNA ligáza úplně obklopuje a částečně odvíjí přezdívanou DNA“. Příroda. 432 (7016): 473–478. doi:10.1038 / nature03082. ISSN  1476-4687. PMID  15565146.
  10. ^ Morris, James (2013). Biology: How Life works. W. H. Freeman. s. Kapitola 14, „Mutace a oprava DNA“. ISBN  978-1-319-05691-9.
  11. ^ Fukui, Kenji (2010-07-27). „Oprava nesouladu DNA u eukaryotů a bakterií“. Journal of Nucleic Acids. 2010: 1–16. doi:10.4061/2010/260512. ISSN  2090-0201. PMC  2915661. PMID  20725617.
  12. ^ A b Huang, Shar-Yin Naomi; Ghosh, Sanchari; Pommier, Yves (2015-05-29). „Topoizomeráza I samotná je dostatečná k produkci krátkých delecí DNA a může také zvrátit škrábance na ribonukleotidových místech“. The Journal of Biological Chemistry. 290 (22): 14068–14076. doi:10,1074 / jbc.M115,653345. ISSN  1083-351X. PMC  4447978. PMID  25887397.
  13. ^ Racko, Dušan; Benedetti, Fabrizio; Dorier, Julien; Burnier, Yannis; Stasiak, Andrzej (06.07.2015). „Generování supercoilů v DNA s mezerami a mezerami vede k uvolnění DNA a postreplikativní dekantaci“. Výzkum nukleových kyselin. 43 (15): 7229–7236. doi:10.1093 / nar / gkv683. ISSN  0305-1048. PMC  4551925. PMID  26150424.
  14. ^ A b Hays, J. B .; Zimm, B.H. (1970-03-14). "Pružnost a tuhost v prořezané DNA". Journal of Molecular Biology. 48 (2): 297–317. doi:10.1016/0022-2836(70)90162-2. ISSN  0022-2836. PMID  5448592.
  15. ^ A b C d Lanka Erich, Wilkins Brian M (1995). "Reakce na zpracování DNA v bakteriální konjugaci." Annu. Biochem. 64: 141-69
  16. ^ Matson S W, Nelson W C, Morton B S (1993). „Charakterizace reakčního produktu reakce OriT Nicking Reaction Catalyzed by Escherichia coli DNA helicase I.“ Journal of Bacteriology. 175 (9): 2599-2606.
  17. ^ Grohmann E, Muth G, Espinosa M (2003). „Konjugativní přenos plazmidu v grampozitivních bakteriích.“ Microbiol Mol Biol Rev. 67 (2): 277-301.