EGZONUKLEAZA: CHARAKTERYSTYKA, BUDOWA I FUNKCJE - BIOLOGIA - 2026

W egzonukleazami są typu nukleaz które trawienia kwasów nukleinowych według jednego z wolnych końców - albo 3 „lub 5”. Rezultatem jest postępujące trawienie materiału genetycznego, uwalniając jeden po drugim nukleotydy. Odpowiednikiem tych enzymów są endonukleazy, które hydrolizują kwasy nukleinowe w wewnętrznych odcinkach łańcucha.

Enzymy te działają poprzez hydrolizę wiązań fosfodiestrowych łańcucha nukleotydowego. Uczestniczą w utrzymaniu stabilności genomu oraz w różnych aspektach metabolizmu komórkowego.

Źródło: Christopherrussell

W szczególności, zarówno w liniach prokariotycznych, jak i eukariotycznych znajdujemy różne typy egzonukleaz, które uczestniczą w replikacji i naprawie DNA oraz w dojrzewaniu i degradacji RNA.

cechy

Egzonukleazy to rodzaj nukleaz, które hydrolizują wiązania fosfodiestrowe łańcuchów kwasu nukleinowego stopniowo na jednym z ich końców, 3 'lub 5'.

Wiązanie fosfodiestrowe jest utworzone przez wiązanie kowalencyjne między grupą hydroksylową znajdującą się na węglu 3 'i grupą fosforanową znajdującą się na węglu 5'. Połączenie obu grup chemicznych skutkuje podwójnym wiązaniem typu estrowego. Funkcją egzonukleaz - i ogólnie nukleaz - jest rozerwanie tych wiązań chemicznych.

Istnieje wiele różnych egzonukleaz. Te enzymy mogą wykorzystywać DNA lub RNA jako substrat, w zależności od rodzaju nukleazy. W ten sam sposób cząsteczka może być jedno- lub dwupasmowa.

cechy

Jednym z krytycznych aspektów utrzymania życia organizmu w optymalnych warunkach jest stabilność genomu. Na szczęście materiał genetyczny ma szereg bardzo skutecznych mechanizmów, które pozwalają na jego naprawę, jeśli zostanie dotknięty.

Mechanizmy te wymagają kontrolowanego zrywania wiązań fosfodiestrowych, a jak wspomniano, nukleazy są enzymami, które spełniają tę żywotną funkcję.

Polimerazy to enzymy obecne zarówno u eukariontów, jak i prokariotów, które uczestniczą w syntezie kwasów nukleinowych. U bakterii scharakteryzowano trzy typy, a u eukariontów pięć. W tych enzymach aktywność egzonukleaz jest niezbędna do spełnienia ich funkcji. Następnie zobaczymy, jak to robią.

Aktywność egzonukleazy u bakterii

U bakterii wszystkie trzy polimerazy mają aktywność egzonukleazy. Polimeraza I wykazuje aktywność w dwóch kierunkach: 5'-3 'i 3'-5', podczas gdy II i III wykazują aktywność tylko w kierunku 3'-5 '.

Aktywność 5'-3 'umożliwia enzymowi usunięcie startera z RNA, dodanego przez enzym zwany prymazą. Następnie utworzona luka zostanie wypełniona nowo zsyntetyzowanymi nukleotydami.

Pierwsza to cząsteczka złożona z kilku nukleotydów, która umożliwia rozpoczęcie aktywności polimerazy DNA. Dlatego zawsze będzie obecny podczas replikacji.

Jeśli polimeraza DNA dodaje nukleotyd, który nie odpowiada, może to skorygować dzięki aktywności egzonukleazy.

Aktywność egzonukleazy u eukariontów

Pięć polimeraz w tych organizmach oznaczono greckimi literami. Tylko gamma, delta i epsilon wykazują aktywność egzonukleazy, wszystkie w kierunku 3'-5 '.

Polimeraza gamma DNA związana jest z replikacją mitochondrialnego DNA, pozostałe dwie uczestniczą w replikacji materiału genetycznego znajdującego się w jądrze i jego naprawie.

Degradacja

Egzonukleazy są kluczowymi enzymami w usuwaniu pewnych cząsteczek kwasu nukleinowego, które nie są już potrzebne organizmowi.

W niektórych przypadkach komórka musi zapobiegać wpływowi tych enzymów na kwasy nukleinowe, które muszą być konserwowane.

Na przykład „czapeczka” jest dodawana do informacyjnego RNA. Obejmuje to metylację końcowej guaniny i dwóch jednostek rybozy. Uważa się, że funkcja czapki polega na ochronie DNA przed działaniem egzonukleazy 5 '.

Przykłady

Jedną z egzonukleaz niezbędnych do utrzymania stabilności genetycznej jest ludzka egzonukleaza I, w skrócie hExo1. Enzym ten występuje na różnych szlakach naprawy DNA. Ma to znaczenie dla utrzymania telomerów.

Ta egzonukleaza umożliwia naprawę luk w obu łańcuchach, które, jeśli nie zostaną naprawione, mogą prowadzić do rearanżacji lub delecji chromosomów, co skutkuje u pacjenta z rakiem lub przedwczesnym starzeniem się.

Aplikacje

Niektóre egzonukleazy są w użyciu komercyjnym. Na przykład egzonukleaza I, która umożliwia degradację jednopasmowych starterów (nie może degradować dwupasmowych substratów), egzonukleaza III jest stosowana do ukierunkowanej mutagenezy, a egzonukleaza lambda może być stosowana do usuwania nukleotydu znajdującego się w 5 'koniec dwupasmowego DNA.

Historycznie rzecz biorąc, egzonukleazy determinowały elementy w procesie wyjaśniania natury wiązań, które trzymały razem elementy budulcowe kwasów nukleinowych: nukleotydy.

Ponadto w niektórych starszych technikach sekwencjonowania działanie egzonukleaz było sprzężone z zastosowaniem spektrometrii mas.

Ponieważ produktem egzonukleazy jest progresywne uwalnianie oligonukleotydów, stanowiło wygodne narzędzie do analizy sekwencji. Chociaż metoda nie działała zbyt dobrze, była przydatna w krótkich sekwencjach.

W ten sposób egzonukleazy są uważane za bardzo elastyczne i nieocenione narzędzia laboratoryjne do manipulacji kwasami nukleinowymi.

Struktura

Egzonukleazy mają niezwykle zróżnicowaną strukturę, dlatego nie jest możliwe uogólnienie ich właściwości. To samo można ekstrapolować dla różnych typów nukleaz, które znajdujemy w żywych organizmach. Dlatego opiszemy strukturę enzymu punktowego.

Egzonukleaza I (ExoI) pobrana z organizmu modelowego Escherichia coli jest monomerycznym enzymem biorącym udział w rekombinacji i naprawie materiału genetycznego. Dzięki zastosowaniu technik krystalograficznych zilustrowano jego strukturę.

Oprócz domeny egzonukleazy polimerazy enzym zawiera inne domeny zwane SH3. Wszystkie trzy regiony łączą się, tworząc rodzaj C, chociaż niektóre segmenty sprawiają, że enzym wygląda podobnie do O.

Bibliografia

1. Breyer, WA i Matthews, BW (2000). Struktura egzonukleazy Escherichia coli I sugeruje, w jaki sposób osiąga się procesowość. Nature Structural & Molecular Biology, 7 (12), 1125.
2. Brown, T. (2011). Wprowadzenie do genetyki: podejście molekularne. Garland Science.
3. Davidson, J. i Adams, RLP (1980). Biochemia kwasów nukleinowych Davidsona. Odwróciłem się.
4. Hsiao, YY, Duh, Y., Chen, YP, Wang, YT i Yuan, HS (2012). Jak egzonukleaza decyduje o tym, gdzie zakończyć przycinanie kwasów nukleinowych: struktury krystaliczne RNazy T - kompleksy produktów. Badania kwasów nukleinowych, 40 (16), 8144-8154.
5. Khare, V. i Eckert, KA (2002). Korekta aktywności egzonukleazy 3 ′ → 5 ′ polimeraz DNA: kinetyczna bariera dla syntezy translesionowego DNA. Mutation Research / Fundamental and Molecular Mechanism of Mutagenesis, 510 (1-2), 45–54.
6. Kolodner, RD i Marsischky, GT (1999). Naprawa niedopasowania eukariotycznego DNA. Aktualna opinia w dziedzinie genetyki i rozwoju, 9 (1), 89–96.
7. Nishino, T. i Morikawa, K. (2002). Struktura i funkcja nukleaz w naprawie DNA: kształt, chwyt i ostrze nożyczek DNA. Oncogene, 21 (58), 9022.
8. Orans, J., McSweeney, EA, Iyer, RR, Hast, MA, Hellinga, HW, Modrich, P. i Beese, LS (2011). Struktury kompleksów DNA ludzkiej egzonukleazy 1 sugerują jednolity mechanizm rodziny nukleaz. Celi, 145 (2), 212-223.
9. Yang, W. (2011). Nukleazy: różnorodność budowy, funkcji i mechanizmu. Kwartalne przeglądy Biophysics, 44 (1), 1-93.