Remove ads
Система рестрикции-модификации — ферментативная система бактерий, разрушающая попавшую в клетку чужеродную ДНК. Основная её функция — защита клетки от чужеродного генетического материала, например, бактериофагов и плазмид. Для компонентов системы характерны два типа активности — метилтрансферазная (метилазная) и эндонуклеазная. За каждую из них могут отвечать как отдельные белки, так и один белок, сочетающий в себе обе функции.[1]
Система рестрикции-модификации (СР-М) специфична по отношению к определённым последовательностям нуклеотидов в ДНК, называемых сайтами рестрикции. Если определённые нуклеотиды в последовательности не метилированы, эндонуклеаза рестрикции вносит в ДНК двуцепочечный разрыв (часто — со смещением на несколько нуклеотидов между цепями), при этом биологическая роль молекулы ДНК нарушается. В случае, когда метилирована только одна из цепей ДНК, расщепления не происходит, вместо этого метилтрансфераза добавляет метильные группы к нуклеотидам второй цепи. Подобная специфичность СР-М позволяет бактериям проводить селективное расщепление чужеродной ДНК, не затрагивая собственную. В норме вся ДНК в бактериальной клетке либо полностью метилирована, либо полностью метилирована только по одной цепи (сразу после репликации). Напротив, чужеродная ДНК не метилирована и подвергается гидролизу.[1]
Remove ads
Системы рестрикции-модификации были открыты в результате изучения молекулярных механизмов явления, называемого «рестрикция, контролируемая хозяином» (англ. host-controlled restriction). Суть явления заключается в том, что бактериофаги, выделенные из клеток одного штамма бактерий, очень плохо размножаются в другом. При инфицировании вирусными частицами, выделенными из второго штамма, клеток первого опять наблюдается подавление размножения фага, в то время как во втором штамме они репродуцируются нормально. Таким образом, у бактерий наблюдается система подавления размножения бактериофагов. Вирусы, которые все же смогли её преодолеть, приобретают устойчивость к действию этой системы. С. Лурия и M.L. Human в своей статье 1952 года[2] писали:
Анализируя соотношение между определёнными фагами и определёнными мутантами их бактерий-хозяев, мы столкнулись с новым феноменом: генотип хозяина, в котором размножается вирус, влияет на фенотип новых вирусов. Фенотипические изменения подавляют способность вируса размножаться в определённых штаммах. Это непостоянное изменение, один успешный цикл размножения в подходящем хозяине возвращает вирус в исходную форму.
Оригинальный текст (англ.)In analyzing the relation between certain phages and certain mutants of their bacterial hosts, we have encountered a novel situation: the genotype of the host in which a virus reproduces affects the phenotype of the new virus. The phenotypic change suppresses the ability of the virus to reproduce in certain hosts but not in others. It is a transient change, in the sense that one cycle of growth in a suitable host returns the virus to its original form.
Впоследствии было показано, что бактериофаги, выделенные из разных штаммов, имеют одинаковый генотип, но разную картину метилирования ДНК, соответствующую специфичности СР-М данного штамма.[3]
В 1978 году Вернер Арбер, Даниел Натанс и Хамилтон Смит были удостоены Нобелевской премии по физиологии и медицине «За обнаружение рестрикционных ферментов и их применение в молекулярной генетике».
Remove ads
Ферменты СР-М именуются в соответствии с системой, предложенной в 1973 году Смитом и Натансом.[4] Название фермента начинается с трёхбуквенного акронима, в котором первая буква совпадает с первой буквой названия рода, а остальные — с первыми двумя буквами вида организма, в котором данный фермент был обнаружен. Акроним пишется курсивом. Дополнительные буквы служат для обозначения конкретного штамма или серотипа. Римские цифры присваиваются в порядке обнаружения ферментов данного типа у конкретного организма. Дополнительные буквы и цифры курсивом не выделяются. Например:
- BsuI — фермент является компонентом первой СР-М, обнаруженной у Bacillus subtilis
- EcoRV — компонент пятой СР-М, охарактеризованной у Escherichia coli штамма RY13
В печатных источниках наблюдаются значительные различия в написании названий одних и тех же ферментов (в плане курсивного выделения и наличия пробелов). В 2003 году большая группа учёных предложила систематизировать классификацию и номенклатуру рестриктаз и метилтрансфераз.[5] В частности, предлагается отказаться от использования курсива, всё название должно писаться без пробелов. Рекомендуется избегать названий «рестриктаза» и «метилаза», употребляя вместо этого «эндонуклеаза рестрикции» и «метилтрансфераза»; тип ферментативной активности указывать буквами R (эндонуклеазная) и M (метилтрансферазная) перед акронимом — M.EcoRI и R.EcoRI.
Remove ads
Эндонуклеазная
Эндонуклеазы рестрикции вносят разрывы в обе цепи ДНК, расщепляя её на две части. В зависимости от специфичности разрезания ДНК, образуются продукты, имеющие разное строение концов (см. рисунок).
- Липкие концы имеют выступающие одноцепочечные участки. При этом выступающие участки двух образующихся фрагментов комплементарны друг другу. Ввиду продольной асимметричности молекулы ДНК, концы её цепей неравнозначны. Они обозначаются 3' и 5' в соответствии с нумерацией атомов в 2-R-дезоксирибофуранозиде.
- могут образовываться липкие концы с 5'-выступающими нуклеотидами (такие продукты образует эндонуклеаза рестрикции BamHI).
- и 3'-выступающие липкие концы, когда неспаренные нуклеотиды заканчиваются 3'-концом (такие продукты образует эндонуклеаза рестрикции AatII).
- Тупые концы образуются, в случае, когда разрезание ДНК происходит строго по оси симметрии узнаваемой последовательности (пример эндонуклеазы рестрикции с такой специфичностью — EcoRV).
Метилтрансферазная
Метилтрансферазы систем рестрикции-модификации добавляют метильные группы к азотистым основаниям нуклеотидных остатков ДНК. Метилирование может проходить по N5 и N6 позициям в аденине, N4 и С5 — в цитозине. Единственный донор метильных групп для ДНК-метилтрансфераз — S-аденозин-L-метионин. В большинстве случаев, метилируется только вторая цепь полуметилированной ДНК, а полностью неметилированная ДНК расщепляется за счёт эндонуклеазной активности СР-М.
Все СР-М требуют наличия Mg2+ в качестве кофактора. СР-М первого и третьего типа нуждаются в АТФ, а четвёртого — в ГТФ. S-аденозилметионин может служить не только донором метильных групп, но и аллостерическим регулятором.
Remove ads
В настоящее время на основании субъединичной структуры, субстратной специфичности, потребности фермента в кофакторах и характере расщепления ДНК[1] выделяют четыре типа систем рестрикции-модификации.[5][6]
Тип I
СРМ первого типа образованы пятью субъединицами, которые функционируют как единое целое. Субъединицы обозначаются аббревиатурой Hsd (host specificity determinant) и буквой, соответствующей функции (M — ДНК-метилтрансфераза, R — эндонуклеаза рестрикции, S — распознавание субстрата). СР-М первого типа представляют собой комплекс двух HsdM, двух HsdR и одной HsdS. HsdR расщепляет фосфодиэфирные связи в ДНК и обладает геликазной активностью. HsdM производит метилирование остатков аденина в составе сайтов рестрикции по шестому атому азота (m6A). HsdS обеспечивает распознавание определённых участков ДНК, определяя специфичность СР-М.[7]
При действии на неметилированную ДНК преобладает нуклеазная активность, метилирование de novo может осуществляться с крайне низкой эффективностью, что позволяет бактериофагам преодолеть действие СР-М и приобрести возможность размножаться в новом штамме (подробнее об этом см. выше).
Сайт рестрикции представляет собой асимметричную последовательность из двух частей: 5' последовательность из 3-5 специфичных нуклеотидов отделена 6-8 нуклеотидами любого типа от 3' специфичной последовательности из 4-5 пар оснований. После узнавания мишени ферментативный комплекс перемещается по молекуле ДНК, расплетая её (геликазная активность), до момента встречи с каким-либо препятствием (например, другим белком). Таким образом, разрыв вносится на большом произвольном расстоянии (тысячи пар оснований) от сайта рестрикции.[7] Для расщепления ДНК СР-М типа I необходим гидролиз АТФ. Это связано с тем, что для перемещения по молекуле ДНК и её расплетания после распознавания сайта СР-М требуется энергия. АТФ утилизируется при помощи т. н. DEAD-мотора[7] — консервативной структуры из двух доменов, характерной для хеликаз и некоторых других белков (например, молекулярного мотора Sec-транслоказы SecA).[8]
Данный тип разделяют на четыре семейства (IA-D) на основании генетической комплементации, гибридизации ДНК, и иммунной кросс-реактивности (перекрестной реакции с антителами).[9]
Тип II
В системах рестрикции-модификации этого типа метилтрансферазная и нуклеазная активности в большинстве случаев обеспечиваются независимыми белками. Эндонуклеазы разрезают ДНК в строго определённых позициях внутри или около сайта рестрикции, в результате концы ДНК в месте разрыва имеют 3'-гидроксильные группы и 5'-фосфатные. Ввиду данных особенностей, эндонуклеазы этого типа (особенно IIP) широко используются в генетической инженерии. Для функционирования СР-М II не требуется АТФ или другие источники энергии. Активные нуклеазы могут существовать в виде мономера, гомодимера или гомотетрамера (для разных систем).[5]
Метилтрансферазы обычно функционируют в форме мономера. Метилирование происходит по четвёртому (N) или пятому (C) положению в остатке цитозина, либо по шестому (N) — аденина (для разных систем, каждый отдельный фермент обладает строгой специфичностью).[5]
Выделяют несколько подгрупп СР-М типа II, некоторые системы могут принадлежать сразу к нескольким из них.[5]
- Тип IIP. Данная группа объединяет СР-М, которые распознают палиндромы (отсюда литера P).[5] Палиндром представляет собой симметричную последовательность, то есть одинаковую при чтении по обоим цепям ДНК в одном направлении (5'-3' или 3'-5'), например:
Длина распознаваемого палиндрома в большинстве случаев составляет 4, 6 или 8 нуклеотидов. Расщепление происходит в фиксированном положении внутри сайта рестрикции или непосредственно вблизи него. При этом различные ферменты вызывают образование как липких, так и тупых концов.
- Тип IIA. Данная группа объединяет СР-М, которые распознают асимметричные последовательности ДНК. Различные нуклеазы СР-М данной группы могут вносить разрез в ДНК как внутри сайта рестрикции, так и вне его. Обычно имеется один ген нуклеазы и два — метилтрансферазы, по одному для модификации каждой из цепей ДНК в асимметричном сайте.
- Тип IIB. Эндонуклеазы систем данного типа вносят разрывы в обе цепи ДНК по обе стороны от сайта рестрикции.
- Тип IIC. СР-М, в которых функции нуклеазы и метилтрансферазы сочетаются в одной полипептидной цепи. К данной группе относятся все представители типов IIB, IIG, и некоторые — IIH.
- Тип IIE. Взаимодействуют с двумя копиями распознаваемой последовательности, в одну из них вносится разрыв, а вторая играет роль аллостерического регулятора.
- Тип IIF. Взаимодействуют и разрезают одновременно две копии распознаваемой последовательности.
- Тип IIG. Нуклеаза и метилтрансфераза объединены в составе одного белка (то есть входят в тип IIC). В отличие от остальных СР-М второго типа, могут стимулироваться или ингибироваться S-аденозилметионином. Распознают как симметричные, так и асимметричные сайты. Включает некоторых представителей типов IIP и IIA.
- Тип IIH. Гены белков СР-М данного типа организованы сходно с системами типа I (имеется три гена и три различных белка), но биохимические характеристики соответствуют типу II.
- Тип IIM. В отличие от других, распознают метилированные сайты. Разрезание ДНК происходит в строго определённой позиции.
- Тип IIS. К данной группе относится часть СР-М типа IIA, которые вносят разрыв хотя бы в одну из цепей ДНК за пределами сайта рестрикции.
- Тип IIT. Ферменты образованы двумя различными субъединицами.
Тип III
СР-М типа III включают две субъединицы (Res и Mod), которые объединяются в гетеротетрамер (Res2Mod2)[7] с эндонуклеазной и метилтрансферазной активностями. Res-субъединица обладает хеликазной активностью и требует для функционирования гидролиза АТФ.[6] В отличие от СР-М первого типа, для гидролиза ДНК требуется взаимодействие двух комплексов ферментов. Они распознают два идентичных сайта рестрикции, расположенных в противоположной ориентации. Сайты могут быть не метилированы или метилированы по одной цепи.[7]
Mod-субъединица может функционировать отдельно от Res, выполняя функцию метилтрансферазы (m6A). В то же время нуклеазная активность Res-субъединицы проявляется, только когда она находится в комплексе с Mod.[5]
Тип IV
СР-М типа IV расщепляют только модифицированную ДНК, имеющую в составе метилированные, гидроксиметилированные или гликозил-гидроксиметилированые основания. Для расщепления ДНК требуется гидролиз ГТФ. Эндонуклеазная активность обеспечивается одним полипептидом. Метилтрансферазная активность отсутствует [10]. Нуклеазная активность аллостерически активируется S-аденозилметионином. Сайт рестрикции асимметричный, состоит из двух разнесенных частей. Разрезание ДНК происходит около одного из сайтов.[6][7]
Remove ads
Wikiwand in your browser!
Seamless Wikipedia browsing. On steroids.
Every time you click a link to Wikipedia, Wiktionary or Wikiquote in your browser's search results, it will show the modern Wikiwand interface.
Wikiwand extension is a five stars, simple, with minimum permission required to keep your browsing private, safe and transparent.
Remove ads