EXONUKLEÁZA: CHARAKTERISTIKA, STRUKTURA A FUNKCE - BIOLOGIE - 2025

Tyto exonukleázy jsou typem nukleáz, které Digest nukleové kyseliny podle jedné ze svých volných konců - buď 3 ‚nebo 5‘. Výsledkem je postupné trávení genetického materiálu, uvolňování nukleotidů jeden po druhém. Protějškem těchto enzymů jsou endonukleázy, které hydrolyzují nukleové kyseliny ve vnitřních částech řetězce.

Tyto enzymy pracují hydrolýzou fosfodiesterových vazeb nukleotidového řetězce. Podílejí se na udržování stability genomu a na různých aspektech buněčného metabolismu.

Zdroj: Christopherrussell

Konkrétně v prokaryotických i eukaryotických liniích najdeme různé typy exonukleáz, které se podílejí na replikaci a opravě DNA a na maturaci a degradaci RNA.

vlastnosti

Exonukleázy jsou typem nukleáz, které hydrolyzují fosfodiesterové vazby řetězců nukleových kyselin postupně na jednom ze svých konců, buď na 3 'nebo 5'.

Fosfodiesterová vazba je tvořena kovalentní vazbou mezi hydroxylovou skupinou umístěnou na 3 'uhlíku a fosfátovou skupinou umístěnou na 5' uhlíku. Spojení mezi oběma chemickými skupinami má za následek dvojnou vazbu typu esteru. Funkcí exonukleáz - a nukleas obecně - je rozbít tyto chemické vazby.

Existuje velké množství exonukleáz. Tyto enzymy mohou použít DNA nebo RNA jako substrát, v závislosti na typu nukleázy. Stejným způsobem může být molekula jednoduchá nebo dvojitá.

Funkce

Jedním z kritických aspektů pro udržení života organismu v optimálních podmínkách je stabilita genomu. Naštěstí má genetický materiál řadu velmi účinných mechanismů, které umožňují jeho opravu, pokud jsou ovlivněny.

Tyto mechanismy vyžadují řízené štěpení fosfodiesterových vazeb a, jak bylo uvedeno, nukleázy jsou enzymy, které plní tuto životně důležitou funkci.

Polymerázy jsou enzymy přítomné v eukaryotech i prokaryotech, které se účastní syntézy nukleových kyselin. U bakterií byly charakterizovány tři typy av eukaryotech pět. V těchto enzymech je aktivita exonukleáz nezbytná pro plnění jejich funkcí. Dále uvidíme, jak to dokážou.

Exonukleázová aktivita v bakteriích

U bakterií mají všechny tři polymerázy exonukleázovou aktivitu. Polymeráza I má aktivitu ve dvou směrech: 5'-3 'a 3'-5', zatímco II a III vykazují aktivitu pouze ve směru 3'-5 '.

5'-3 'aktivita umožňuje enzymu odstranit primer z RNA, přidaný enzymem zvaným primáza. Následně bude vytvořená mezera vyplněna nově syntetizovanými nukleotidy.

První je molekula tvořená několika nukleotidy, která umožňuje zahájit DNA polymerázovou aktivitu. Takže bude vždy přítomen na replikační události.

Pokud DNA polymeráza přidá nukleotid, který neodpovídá, může to napravit díky aktivitě exonukleázy.

Exonukleázová aktivita v eukaryotech

Pět polymeráz v těchto organismech je označeno řeckými písmeny. Pouze gama, delta a epsilon vykazují exonukleázovou aktivitu, vše ve směru 3'-5 '.

Gama DNA polymeráza souvisí s replikací mitochondriální DNA, zatímco zbývající dva se podílejí na replikaci genetického materiálu umístěného v jádru a na jeho opravě.

Degradace

Exonukleázy jsou klíčové enzymy při odstraňování určitých molekul nukleových kyselin, které již organismus nepotřebuje.

V některých případech musí buňka zabránit působení těchto enzymů na ovlivnění nukleových kyselin, které musí být konzervovány.

Například k messengerové RNA se přidá „čepice“. Toto sestává z methylace terminální guaniny a dvou ribózových jednotek. Předpokládá se, že funkcí čepice je ochrana DNA proti působení 5 'exonukleázy.

Příklady

Jednou ze základních exonukleáz pro udržení genetické stability je lidská exonukleáza I, zkráceně hExo1. Tento enzym se nachází v různých opravných cestách DNA. Je to důležité pro údržbu telomer.

Tato exonukleáza umožňuje opravu mezer v obou řetězcích, které, pokud nejsou opraveny, mohou vést k chromozomálním přestavbám nebo delecí, které mají za následek pacienta s rakovinou nebo předčasným stárnutím.

Aplikace

Některé exonukleázy jsou komerčně využívány. Například exonukleáza I, která umožňuje degradaci jednopásmových primerů (nemůže degradovat substráty s dvojitým pásem), exonukleáza III se používá pro místně cílenou mutagenezi a lambda exonukleáza může být použita pro odstranění nukleotidu umístěného v 5 'konec dvojpásmové DNA.

Historicky byly exonukleázy určujícími prvky v procesu objasňování povahy vazeb, které držely pohromadě stavební bloky nukleových kyselin: nukleotidy.

Dále, v některých starších technikách sekvenování byl účinek exonukleáz spojen s použitím hmotnostní spektrometrie.

Protože produkt exonukleázy je progresivní uvolňování oligonukleotidů, představuje vhodný nástroj pro sekvenční analýzu. Ačkoli metoda nefungovala velmi dobře, byla užitečná pro krátké sekvence.

Tímto způsobem jsou exonukleázy považovány v laboratoři za velmi flexibilní a neocenitelné nástroje pro manipulaci s nukleovými kyselinami.

Struktura

Exonukleázy mají velmi rozmanitou strukturu, takže není možné zobecnit jejich vlastnosti. Totéž lze extrapolovat pro různé typy nukleáz, které najdeme v živých organismech. Proto popíšeme strukturu specifického enzymu.

Exonuclease I (ExoI) odebraná z modelového organismu Escherichia coli je monomerní enzym, který se podílí na rekombinaci a opravě genetického materiálu. Díky použití krystalografických technik byla ilustrována jeho struktura.

Kromě exonukleázové domény polymerázy zahrnuje enzym další domény nazývané SH3. Všechny tři regiony se spojí a vytvoří druh C, i když některé segmenty způsobují, že enzym vypadá podobně jako O.

Reference

1. Breyer, WA, a Matthews, BW (2000). Struktura exonukleázy Escherichia coli I naznačuje, jak je dosaženo zpracovatelnosti. Nature Structural & Molecular Biology, 7 (12), 1125.
2. Brown, T. (2011). Úvod do genetiky: Molekulární přístup. Věnec věnec.
3. Davidson, J., a Adams, RLP (1980). Biochemie Davidsonových nukleových kyselin. Obrátil jsem se.
4. Hsiao, YY, Duh, Y., Chen, YP, Wang, YT a Yuan, HS (2012). Jak exonukleáza rozhoduje o tom, kde zastavit v ořezávání nukleových kyselin: krystalové struktury komplexů RNase T - produktů. Nucleic acid Research, 40 (16), 8144-8154.
5. Khare, V. a Eckert, KA (2002). Korektura 3 '→ 5' exonukleázové aktivity DNA polymeráz: kinetická bariéra pro syntézu translesní DNA. Výzkum mutací / základní a molekulární mechanismy mutageneze, 510 (1-2), 45–54.
6. Kolodner, RD, a Marsischky, GT (1999). Oprava nesouladu eukaryotické DNA. Aktuální názor na genetiku a vývoj, 9 (1), 89–96.
7. Nishino, T., & Morikawa, K. (2002). Struktura a funkce nukleas v opravě DNA: tvar, přilnavost a ostří nůžek DNA. Oncogen, 21 (58), 9022.
8. Orans, J., McSweeney, EA, Iyer, RR, Hast, MA, Hellinga, HW, Modrich, P., & Beese, LS (2011). Struktura DNA komplexů lidské exonukleázy 1 naznačuje jednotný mechanismus pro rodinu nukleáz. Cell, 145 (2), 212-223.
9. Yang, W. (2011). Nukleázy: rozmanitost struktury, funkce a mechanismu. Čtvrtletní recenze Biofyziky, 44 (1), 1-93.