핵산가수분해효소

Nuclease
제한효소(엔도핵산가수분해효소) Hind 설명III 유효한 제한 부위(5'–A AGCTT–3')에서 이중 가닥 DNA 분자를 절단한다.

뉴클레아제(archaically)는 핵산의 뉴클레오티드 사이의 포스포디에스테르 결합을 분해할 수 있는 효소이다.핵산가수분해효소는 표적 분자의 단일 및 이중 가닥 파괴에 다양한 영향을 미칩니다.살아있는 유기체에서, 그것들은 DNA 수복의 많은 측면에 필수적인 기계이다.특정 핵산가수분해효소의 결함은 유전적 불안정이나 면역결핍을 [1]야기할 수 있다.핵산가수분해효소는 또한 분자 [2]복제에 광범위하게 사용된다.

활동 장소에 따라 크게 두 가지 분류가 있습니다.엑소핵산가수분해효소는 핵산을 끝에서 소화시킨다.엔도핵산가수분해효소는 표적 분자의 중간 부분에 작용한다.디옥시리보핵산가수분해효소 및 리보핵산가수분해효소로 더욱 세분화된다.전자는 DNA에 작용하고 후자는 [2]RNA에 작용합니다.

역사

1960년대 후반, 과학자 Stuart Linn과 Werner Arber는 대장균의 [3][4]파지 성장 제한에 책임이 있는 두 가지 유형의 효소의 예를 분리했다.이 효소들 중 하나는 메틸화 DNA를 생성하면서 DNA에 메틸기를 첨가했고, 다른 하나는 분자의 길이를 따라 다양한 위치에서 메틸화되지 않은 DNA를 분해했다.첫 번째 유형의 효소는 "메틸라아제"라고 불렸고 다른 하나는 "제한 핵산가수분해효소"라고 불렸습니다.이 효소적 도구들은 DNA 분자를 자르고 붙이는 데 필요한 도구들을 모으는 과학자들에게 중요했다.그때 필요했던 것은 과학자들이 예측 가능하고 재현 가능한 방법으로 DNA 분자를 절단할 수 있도록 분자의 길이를 따라 무작위로 절단하는 것이 아니라 특정 부위에서 DNA를 절단하는 도구였다.

1968년 존스 홉킨스 대학에서 일하던 H.O. 스미스, K.W. 윌콕스, T.J. 켈리가 특정 DNA 뉴클레오티드 배열에 따라 기능이 달라지는 최초의 제한 핵산가수분해효소를 분리하여 특성화했을 때 중요한 발전이 이루어졌다.Hemophilus influence 박테리아와 함께 일하면서, 이 그룹은 Hind라고 불리는 효소를 분리했다.II는 6개의 염기쌍의 특정 염기서열 내의 특정 지점에서 DNA 분자를 절단하는 역할을 합니다.그들은 힌드가II 효소는 항상 이 염기서열의 중앙(3번째와 4번째 염기쌍 사이)에서 직접 절단됩니다.

수치분류시스템

대부분의 핵산가수분해효소는 "국제생화학분자생물학연합 명명위원회"의 효소위원회 번호에 의해 가수분해효소(EC 번호 3)로 분류된다.핵산가수분해효소는 포스포디에스테라아제, 리파타아제 및 포스파타아제와 마찬가지로 가수분해효소의 하위 그룹인 에스테라아제(EC 번호 3.1)에 속합니다.핵산가수분해효소가 속하는 에스테라아제는 EC 번호 3.1.11 - EC 번호 3.1.31로 분류된다.

구조.

뉴클레아제 1차 구조는 대체로 활성 부위에서 잘 보존되지 않고 최소한으로 보존되며, 표면은 주로 산성 및 염기성 아미노산 잔기로 구성된다.핵산가수분해효소는 접이식 [5]계열로 분류할 수 있다.

EcoRV의 [6]결정구조와 DNA 복합체.

사이트 인식

핵산가수분해효소는 분자를 분해하기 전에 핵산과 결합해야 한다.그것은 어느 정도 인정을 필요로 한다.핵산가수분해효소는 인식 및 결합 모드에서 비특이적 및 특이적 연관성을 다양하게 사용한다.두 가지 모드 모두 살아있는 유기체, 특히 DNA [7]복구에서 중요한 역할을 합니다.

DNA 수복에 관여하는 비특이적 핵산가수분해효소는 표적 배열이나 손상을 위해 DNA를 스캔할 수 있다.그러한 핵산가수분해효소는 DNA의 화학 그룹과 상호작용하는 활성 부위의 잔류물이 목표에 도달할 때까지 DNA를 따라 확산된다.EcoRV, BamHI 및 PvuII와 같은 핵산내 분해 효소의 경우, 이 비특이적 결합은 단백질의 최소 표면적과 DNA 사이의 정전적 상호작용을 포함한다.이 약한 연관성은 DNA의 전체적인 형태를 변형하지 않고 B [7]형태로 남습니다.

A 반면 부위 특이적 핵산가수분해효소는 훨씬 더 강한 연관성을 형성한다.그것은 DNA를 DNA 결합 영역의 깊은 홈으로 끌어들인다.이는 DNA 3차 구조의 상당한 변형을 초래하고 염기성(양전하) 잔류물이 풍부한 표면에서 달성된다.DNA와 [7]광범위한 정전기 상호작용을 합니다.

DNA 수복에 관여하는 일부 핵산 분해 효소는 부분 배열 특이성을 나타낸다.그러나 대부분은 비특이적이며, 대신 염기쌍 [7]불일치에 의해 DNA 골격에서 생성된 구조적 이상을 인식한다.

구조특이핵산가수분해효소

자세한 내용은 플랩핵산가수분해효소를 참조하십시오.

배열특이핵산가수분해효소

효소 원천 인식 시퀀스 인하.
힌디 헤모필루스인플루엔자

5' – GTYRAC – 3'
3'–캐리트G–5'

5' – GTYRAC – 3'
3'–캐리트G–5'

R = A 또는 G, Y = C 또는 T

900개 이상의 제한 효소가 있으며, 일부는 특정 배열이고 일부는 그렇지 않으며, 힌드의 최초 발견 이후 230개 이상의 박테리아 변종에서 분리되었습니다.II. 이러한 제한 효소는 일반적으로 그 기원을 반영하는 이름을 가지고 있다.이름의 첫 번째 문자는 속(속)에서 왔고 두 번째 두 글자는 그들이 분리된 원핵세포의 종에서 왔다.예를 들어, EcoRI는 대장균 RY13 박테리아에서 나오는 반면, Hind는II는 Hemophilus influence 균주 Rd에서 유래한다.핵산가수분해효소 이름 뒤의 숫자는 효소가 단일 균주에서 분리된 순서를 나타냅니다.EcoRI, EcoRII

엔도핵산가수분해효소

제한 핵산가수분해효소는 DNA 분자의 길이를 스캔함으로써 기능한다.일단 그것이 특정한 인식 서열을 만나면, 그것은 DNA 분자와 결합할 것이고 두 개의 당-인산 등뼈 각각에 한 개의 절단을 만들 것이다.이 두 컷의 위치는 서로에 대한 관계 및 인식 시퀀스 자체에 대해 제한 핵산가수분해효소의 동일성에 의해 결정된다.다른 엔도핵산가수분해효소는 서로 다른 세트의 절단을 가져오지만, 하나의 엔도핵산가수분해효소는 어떤 DNA 분자에 작용하든 상관없이 항상 같은 방식으로 특정 염기서열을 절단할 것입니다.일단 절단이 이루어지면, DNA 분자는 산산조각이 날 것이다.

단계적 절단

모든 제한핵산가수분해효소가 대칭적으로 절단되고 힌드처럼 뭉툭한 끝을 남기는 것은 아니다.위에서 설명한 바와 같이많은 엔도뉴클라아제들은 서로 직접적으로 마주보지 않는 위치에서 DNA 등뼈를 쪼개 돌출부를 만듭니다.예를 들어 핵산가수분해효소 EcoRI는 인식 시퀀스를 가진다.5'—GAATTC—3'.

효소 원천 인식 시퀀스 인하.
힌두 III 헤모필루스인플루엔자
5' – AAGCTT – 3'
3' – TTCGAA – 5'
5' – AAGCTT – 3'
3' – TTCGAA – 5'
에코리 대장균
5' – GAATTC-3'
3' – CTTAAG – 5'
5' – GAATTC – 3'
3' – CTTAAG – 5'
밤하이 아밀롤리케파시엔스균
5' – GATCC – 3'
3인치 – CCTVAGG – 5인치
5' – GATCC – 3'
3인치 – CCTVAGG – 5인치

효소는 이 염기서열을 만나면 G와 가장 가까운 A 염기잔기 사이의 각 골격을 절단한다.일단 절단이 이루어지면, 결과물 조각들은 서로 상보적인 염기를 고정하는 상대적으로 약한 수소 결합에 의해서만 함께 고정된다.이러한 결합의 약점은 DNA 조각들이 서로 분리되도록 한다.생성된 각 조각은 비쌍염기로 이루어진 돌출부 5'의 끝을 가진다.다른 효소는 DNA 골격에 절단을 만들어 3' 말단을 돌출시킨다.돌출된 끝부분(3'와 5' 모두)은 서로 보완적인 염기서열과 결합하는 경향이 있기 때문에 "스틱 끝부분"이라고 부르기도 한다.즉, 짝이 없는 염기의 길이가5'—AATT—3'시퀀스와 함께 페어링되지 않은 다른 길이를 발견함3'—TTAA—5'그들은 서로 유대를 맺게 될 것이다. 그들은 서로에게 "불편한" 존재이다.그런 다음 리가아제 효소는 두 분자의 인산염 골격을 결합하기 위해 사용된다.끈적끈적한 끝의 세포 기원, 또는 종 기원도 끈적함에 영향을 미치지 않습니다.상보적인 배열의 어떤 쌍도 결합하는 경향이 있습니다. 비록 그 배열 중 하나가 인간 DNA의 길이에서 오고 다른 하나는 박테리아 DNA의 길이에서 온다 해도 말입니다.사실, 재조합 DNA 분자의 생산을 가능하게 하는 것은 바로 이 점착성의 품질입니다. 다른 출처의 DNA로 구성되어 유전자 공학 기술을 탄생시킨 분자입니다.

자연에서의 역할

DNA복구

DNA에 의존하는 모든 세포가 유전 정보의 매개체이기 때문에, 유전자 품질 관리는 모든 유기체의 필수적인 기능이다.DNA 복제는 오류가 발생하기 쉬운 과정이며, DNA 분자 자체는 많은 신진대사 및 환경 스트레스 요인에 의해 변형되기 쉽습니다.유비쿼터스 예로는 활성산소종, 근자외선, 이온화 방사선이 있다.많은 핵산가수분해효소는 손상 부위를 인식하고 주변 DNA로부터 분리함으로써 DNA 복구에 참여합니다.이들 효소는 독립적으로 또는 복합체로 기능한다.DNA 수복에 관여하는 대부분의 핵산 분해 효소는 배열 특이적이지 않다.이들은 이중가닥 DNA(dsDNA)[5] 2차 구조의 변형을 통해 손상 부위를 인식한다.

레플리케이션 교정

DNA 복제 동안, DNA 중합효소는 상보적인 템플릿 가닥에 대해 새로운 DNA 가닥을 늘린다.대부분의 DNA 중합효소는 두 가지 다른 효소 도메인, 즉 중합효소 및 교정핵산가수분해효소로 구성됩니다.중합효소는 새로운 가닥을 5' → 3' 방향으로 늘린다.엑소뉴클레아제는 3' → 5' 방향으로 동일한 가닥에서 잘못된 뉴클레오티드를 제거한다.이 엑소핵산가수분해효소 활성은 DNA 중합효소의 교정 능력에 필수적이다.이러한 핵산가수분해효소를 비활성화하거나 제거하면 영향을 받는 미생물 및 생쥐의 [8]암에서 돌연변이와 사망률이 증가한다.

레플리케이션 포크 정지

많은 형태의 DNA 손상은 복제 포크의 진행을 막아 DNA 중합효소 및 관련 기계들이 포크를 포기하게 합니다.그런 다음 포크 특이 단백질에 의해 처리되어야 한다.가장 주목할 만한 것은 MUS81입니다.감수성 [5]결손과 더불어 효모의 UV 또는 메틸화 손상 감수성을 유발하는 결손.

오카자키 단편 처리

세포에서 흔히 볼 수 있는 작업은 복제에서 오카자키 단편 RNA 프라이머를 제거하는 것이다.이러한 프라이머의 대부분은 RNase H 계열의 엔도핵산가수분해효소에 의해 새롭게 합성된 후행 가닥 DNA에서 제거된다.진핵생물 및 고세균에서는 플랩핵산가수분해효소 FEN1도 오카자키 [5]단편의 처리에 관여한다.

불일치 복구

주어진 유기체의 DNA 불일치 복구는 불일치 특이적 핵산 분해효소 스위트에 의해 영향을 받는다.원핵생물에서 이 역할은 주로 MutSLH와 매우 짧은 패치 복구(VSP 복구) 관련 단백질에 의해 채워진다.

MutSLH 시스템(MutS, MutL 및 MutH로 구성)은 포인트 돌연변이와 작은 턴을 수정합니다.MutS는 미스매치를 인식하고 바인드하여 MutL과 MutH를 채용합니다.MutL은 MutS와 MutH의 상호작용을 매개하고 MutH의 핵내 활성을 강화한다.MutH는 반메틸화를 인식한다.5'—GATC—3'옆 사이트와 틈새G비메틸화 스트랜드(더 최근에 합성된 스트랜드).

VSP 복구는 핵산가수분해효소 Vr에 의해 시작됩니다.특정 사항을 수정합니다.T/G메틸화 사이토신이 티미네로 자발적으로 탈아미노화되면서 발생하는 미스매치.Vsr이 시퀀스를 인식합니다.5'—CTWGG—3'(이전 시퀀스에서 밑줄이 그어진) 불일치 티민의 5'쪽에 있는 DNA 가닥을 잘라냅니다.그런 다음, Exonuclease RecJ, ExoVII 또는 ExoI 중 하나가 DNA 중합효소가 [5]사슬의 간격을 재동기화하기 전에 부위를 분해한다.

기초절제보수

AP 사이트 형성은 dsDNA에서 자주 발생합니다.이는 자발적 가수분해와 염기절제 수복의 중간 단계로서의 DNA 글리코실라아제 활성의 결과이다.이러한 AP 부위는 AP 엔도핵산가수분해효소에 의해 제거되며,[5] 이는 부위 주변의 단일 가닥 파손에 영향을 미칩니다.

뉴클레오티드 절제 복구

염기 절제 수리와 혼동되지 않는 뉴클레오티드 절제 수리는 손상된 뉴클레오티드의 제거 및 치환을 수반한다.가교, 부가물 및 병변(자외광 또는 활성산소종에 의해 발생)이 이 복구 경로를 트리거할 수 있습니다.이러한 손상된 뉴클레오티드를 포함하는 짧은 길이의 단일 가닥 DNA는 손상의 상류 및 하류에 영향을 미치는 별도의 핵산 분해 효소에 의해 이중 DNA에서 제거된다.이러한 핵산 분해 효소에 영향을 미치는 결실 또는 돌연변이는 자외선 손상 및 발암에 대한 민감도를 증가시킨다.이러한 이상은 신경 발달에도 영향을 미칠 수 있다.

박테리아에서는 두 절단 모두 UvrB-UvrC 복합체에 의해 실행됩니다.발아 효모는 Rad2와 Rad1-Rad10 착체가 각각 5' 및 3' 절삭한다.포유동물에서는 호몰로그 XPG와 XPF-ERCC1이 각각 같은 [9]상처에 영향을 준다.

이중 스트랜드 절단 수리

의도적이든 의도적이지 않든 이중 가닥 절단은 세포에서 정기적으로 발생합니다.의도하지 않은 파손은 일반적으로 이온화 방사선, 다양한 외인성 및 내인성 화학 물질 및 정지된 복제 포크에 의해 발생합니다.감수분열 및 V(D)J 재조합의 매개체로 의도적인 파손이 발생하며, 이는 주로 상동재조합 및 비상동단 접합을 통해 복구된다.두 경우 모두 수리를 수행하기 전에 핵산 분해 효소에 의해 이중 가닥 절단 끝부분을 처리해야 합니다.그러한 핵산가수분해효소 중 하나는 Mre11과 Rad50이 복합된 것이다.Mre11의 돌연변이는 운동실조망막증 같은 [9]장애를 일으킬 수 있다.

V(D)J 재조합은 이중가닥절단과 관련된 스템루프 구조를 개방하고 이후 양끝을 결합하는 것을 포함한다.Artemis-DNAPKcs 복합체가 이 반응에 참여합니다.아르테미스는 단독으로 5' → 3' ssDNA 엑소핵산가수분해효소 활성을 나타내지만, DNA-PK와의 복합체는 줄기세포의 핵내 처리를 가능하게 한다.단백질의 결함은 심각한 면역결핍을 [9]일으킨다.

반면, 상동 재조합은 D-루프 또는 홀리데이 접합으로 연결된 두 개의 상동 DNA 이중체를 포함한다.박테리아에서, RuvC와 같은 핵산 분해 효소는 결합 중심 근처의 대칭적인 두 곳의 결합을 절단함으로써 홀리데이 결합을 두 개의 개별 dsDNA로 분해한다.진핵생물에서는 FEN1, XPF-ERCC1, MUS81이 D-루프를 절단하고 Cce1/Ydc2가 미토콘드리아에서 [9]홀리데이 접합을 처리한다.

메가핵산가수분해효소

주요 기사: 메가핵산가수분해효소

특정 핵산가수분해효소가 주어진 DNA 분자를 절단하는 빈도는 DNA의 복잡성과 핵산가수분해효소의 인식 시퀀스의 길이에 따라 달라진다; 우연히 특정 순서로 염기를 찾을 수 있는 통계적 가능성 때문에, 더 긴 인식 시퀀스는 소화의 빈도를 낮출 것이다.예를 들어, 주어진 4개의 염기서열(가설 핵산가수분해효소 인식 부위에 해당)은 평균 256개의 염기쌍마다 발생할 것으로 예상되지만(4^4=256), 주어진 6개의 염기서열은 평균 4,096개의 염기쌍마다 한 번씩 발생할 것으로 예상된다(4^6=4096).

핵산가수분해효소의 한 가지 독특한 패밀리는 메가핵산가수분해효소이며, 이는 12에서 40개의 염기쌍으로 구성된 더 크고 덜 흔한 인식 서열을 갖는 것이 특징이다.이러한 핵산가수분해효소는 식물과 포유동물과 같은 복잡한 유기체의 유전공학 및 게놈 공학 응용에 특히 유용하다. 여기서 전형적으로 더 큰 게놈(수십억 개의 염기쌍에 대한 수치)은 전통적인 핵산가수분해효소를 사용하여 빈번하고 유해한 부위 특이적 소화를 야기할 수 있다.

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레퍼런스

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  2. ^ a b Rittié L, Perbal B (June 2008). "Enzymes used in molecular biology: a useful guide". Journal of Cell Communication and Signaling. 2 (1–2): 25–45. doi:10.1007/s12079-008-0026-2. PMC 2570007. PMID 18766469.
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