ЕНДОНУКЛЕАЗИ: ФУНКЦИИ, ВИДОВЕ И ПРИМЕРИ - БИОЛОГИЯ - 2025

На ендонуклеази са ензими, които режат на фосфодиестерни връзки, разположени в нуклеотидната верига. Местата за ограничаване на ендонуклеазата са много разнообразни. Някои от тези ензими отрязват ДНК (дезоксирибонуклеиновата киселина, нашият генетичен материал) почти навсякъде, тоест не са специфични.

За разлика от това има друга група ендонуклеази, които са много специфични в областта или последователността, която трябва да бъде разцепена. Тази група ензими е известна като рестрикционни ензими и те са много полезни в молекулярната биология. В тази група имаме добре познатите ензими Bam HI, Eco RI и Alu I.

Ендонуклеазите режат ДНК вътрешно.

Източник: pixabay.com

Противно на ендонуклеазите, има друг вид каталитични протеини - екзонуклеази, които са отговорни за разрушаването на фосфодиестерните връзки в края на веригата.

Ограничаване ендонуклеази

Рестрикционните ендонуклеази или рестрикционни ензими са каталитични протеини, които са отговорни за разцепването на фосфодиестерните връзки във веригата на ДНК в много специфични последователности.

Тези ензими могат да бъдат закупени от множество биотехнологични компании и тяхното използване е почти от съществено значение при съвременните техники за манипулация на ДНК.

Рестрикционните ендонуклеази се назовават с помощта на първите букви от биномиалното научно наименование на организма, от който са дошли, последвано от щама (това е по избор) и завършва с групата на рестрикционни ензими, към която принадлежат. Например, Bam HI и Eco RI са широко използвани ендонуклеази.

Регионът на ДНК, който ензимът разпознава, се нарича рестрикционен сайт и е уникален за всяка ендонуклеаза, въпреки че няколко ензима могат да съвпадат на рестрикционните места. Този сайт обикновено се състои от кратка палиндромна последователност с дължина около 4 до 6 базови двойки, като AGCT (за Alu I) и GAATTC за Eco RI.

Палиндромните последователности са последователности, които, въпреки че се четат в посока 5 'до 3' или 3 'до 5', са идентични. Например, в случая на Eco RI, палиндромната последователност е: GAATTC и CTTAAG.

Функции и приложения на рестрикционни ендонукли

За щастие на молекулярните биолози, бактериите са разработили серия от рестрикционни ендонуклеази в хода на еволюцията, които вътрешно фрагментират генетичния материал.

В природата тези ензими са се развили - вероятно - като система за бактериална защита срещу нахлуването на чужди ДНК молекули, като тези от фагите.

За да се разграничи местния и чужд генетичен материал, тези рестрикционни ендонуклеази могат да разпознаят специфични нуклеотидни последователности. По този начин ДНК, която няма тази последователност, може да се наруши вътре в бактериите.

За разлика от това, когато ендонуклеазата разпознае мястото на рестрикция, тя се свързва с ДНК и я разрязва.

Биолозите се интересуват от изучаването на генетичния материал на живите същества. ДНК обаче се състои от няколко милиона базови двойки по дължина. Тези молекули са изключително дълги и трябва да бъдат анализирани на малки фрагменти.

За постигане на тази цел рестрикционните ендонуклеази са интегрирани в различни протоколи за молекулярна биология. Например, отделен ген може да бъде уловен и повторен за бъдещ анализ. Този процес се нарича "клониране" на ген.

Полиморфизъм с дължина на рестрикционния фрагмент (RFLP)

Полиморфизмите с дължина на рестрикционния фрагмент се отнасят до модела на специфични нуклеотидни последователности в ДНК, които рестрикционните ендонуклеази са в състояние да разпознаят и разрежат.

Благодарение на специфичността на ензимите, всеки организъм се характеризира със специфичен модел на рязане в ДНК, произхождащи фрагменти с променлива дължина.

Видове рестрикционни ендонуклеази

В исторически план рестрикционните ендонуклеази са класифицирани в три вида ензими, обозначени с римски цифри. Наскоро е описан четвърти тип ендонуклеаза.

Тип I

Най-важната характеристика на ендонуклеази тип I е, че те са протеини, съставени от няколко субединици. Всяка от тези функции функционира като единичен протеинов комплекс и обикновено има две субединици, наречени R, две М и една S.

S частта е отговорна за разпознаването на рестрикционния сайт в ДНК. R субединицата, от своя страна, е от съществено значение за разцепването и М е отговорен за катализирането на реакцията на метилиране.

Има четири подкатегории от ензими тип I, известни с буквите A, B, C и D, които са в обща употреба. Тази класификация се основава на генетично допълване.

Ензимите от тип I бяха първите рестрикционни ендонуклеази, открити и пречистени. Най-полезните в молекулярната биология обаче са тип II, които ще бъдат описани в следващия раздел.

Тип II

Ендонуклеазите от рестрикционен тип разпознават специфични последователности на ДНК и се разцепват при постоянно положение, близко до последователност, която произвежда 5 'фосфати и 3' хидроксили. Те обикновено изискват магнезиеви йони (Mg ²⁺) като кофактори, но има някои, които имат много по-специфични изисквания.

В структурно отношение те могат да се появят като мономери, димери или дори тетрамери. Рекомбинантната технология използва ендонуклеази тип II и поради тази причина са описани над 3500 ензими.

Тип III

Тези ензимни системи са съставени от два гена, наречени mod и res, които кодират субединиците, които разпознават ДНК и за модификации или ограничения. И двете субединици са необходими за ограничаване, процес, изцяло зависим от хидролизата на ATP.

За да се разцепи молекулата на ДНК, ензимът трябва да взаимодейства с две копия от непалиндромната разпознаваща последователност и местата трябва да са с обратна ориентация на субстрата. Разцепването се предхожда от ДНК транслокация.

Тип IV

Напоследък бе установена допълнителна група. Системата е съставена от два или повече гена, които кодират протеини, които разцепват само модифицирани последователности на ДНК, или метилиран, хидроксиметилиран, или хидрометилиран глюкозил.

Например ензимът EckKMcrBC разпознава два динуклеотида с обща форма RmC; пурин, последван от метилиран цитозин, който може да бъде разделен от няколко двойки основи - от 40 до почти 3000. Разцепването се извършва около 30 базови двойки след мястото, което ензимът разпознава.

Ендонуклеази тип V

Ендонуклеази от този тип са известни още като "прикачване" на ендонуклеази. Тези ензими разпознават и разрязват целевата ДНК последователност на уникални места в генома от 14 до 40 bp.

Тези ензими често са кодирани в интрони и се смята, че тяхната функция е да насърчават хоризонтален трансфер на отрязани последователности. След рязане настъпва поправка на почивка в ДНК двойната спирала на базата на допълващата последователност.

Примери

Ендонуклеаза I от E. coli действа като защитна система срещу фаги и паразити. Разположен е главно между цитоплазмената мембрана и клетъчната стена. Той произвежда двуверижни разкъсвания в чуждата ДНК, с които взаимодейства в периплазменото пространство.

Ендонуклеазите CRISPR-Cas са ензими, които действат на защитния механизъм на много видове бактерии. Те идентифицират и изрязват специфични последователности на ДНК от нахлуващи организми, които обикновено са вируси.

Наскоро изследователи от Масачузетския технологичен институт (MIT) откриха системата за редактиране на генома CRISPR-Cas12bm с висока точност за модифициране на човешките клетки.

Препратки

1. Burrell, MM (Ed.). (1993). Ензими на молекулярната биология. Тотова, Ню Джърси: Humana Press.
2. Loenen, WA, Dryden, DT, Raleigh, EA и Wilson, GG (2013). Рестрикционни ензими тип I и техните роднини. Изследване на нуклеиновите киселини, 42 (1), 20-44.
3. Мъри, PR, Rosenthal, KS, & Pfaller, MA (2017). Медицинска микробиология + StudentConsult на испански + StudentConsult. Elsevier Health Sciences.
4. Nathans, D., & Smith, HO (1975). Рестрикционните ендонуклеази в анализа и преструктурирането на ДНК молекули. Годишен преглед на биохимията, 44 (1), 273-293.
5. Pingoud, A., Fuxreiter, M., Pingoud, V., & Wende, W. (2005). Ендонуклеази от рестрикционен тип II: структура и механизъм. Клетъчни и молекулярни науки за живота, 62 (6), 685.