เอกโซนิวคลีเอส

เอกโซนิวคลีเอส (อังกฤษ: exonuclease) คือเอนไซม์ที่ทำหน้าที่สลายพันธะ 3′-5′ ฟอสโฟไดเอสเทอร์ เฉพาะที่ปลายสายพอลินิวคลีโอไทด์ ซึ่งแตกต่างจาก เอนโดนิวคลีเอสซึ่งจะทำหน้าที่สลายพันธะ 3′-5′ ฟอสโฟไดเอสเทอร์ ตำแหน่งใดก็ได้ในสายพอลินิวคลีโอไทด์ กลไกในการสลายพันธะฟอสโฟไดเอสเทอร์จะใช้ปฏิกิริยาไฮโดรไลซิส^[1]

3'-5' เอกโซนิวคลีเอส
3'-5' เอกโซนิวคลีเอส ใน ดีเอ็นเอพอลิเมอเรส I
Identifiers
EC number	3.1.15.1
CAS number	9025-82-5
IntEnz	IntEnz view
BRENDA	BRENDA entry
ExPASy	NiceZyme view
KEGG	KEGG entry
MetaCyc	metabolic pathway
PRIAM	profile
PDB	structures
Search PMC articles PubMed articles

ลักษณะการทำงาน

3′-5′ เอกโซนิวคลีเอส เป็นการทำงานพื้นฐานของดีเอ็นเอพอลิเมอเรสทั้งสามชนิด (I, II, III) ซึ่งเรียกการทำงานลักษณะนี้ว่า proofreading activity คือความสามารถของดีเอ็นเอพอลิเมอเรสในการตรวจสอบลำดับของนิวคลีโอไทด์ในสายดีเอ็นเอทุกครั้งที่มีการนำดีออกซีไรโบนิวคลีโอไทด์ตัวใหม่มาต่อ จึงทำให้ดีเอ็นเอพอลิเมอเรสสามารถทำงานในทิศทาง 3′ ไปยัง 5′ ของสายดีเอ็นเอที่สร้างใหม่ได้ เมื่อตรวจสอบพบตำแหน่งเบสที่ผิด จะมีการตัดเบสดังกล่าวทิ้งแล้วนำตัวใหม่ที่ถูกต้องมาต่อแทน

นอกจากนี้ยังมี 5′-3′ เอกโซนิวคลีเอส เป็นรูปแบบการทำงานที่พบในดีเอ็นเอพอลิเมอเรส I เท่านั้นซึ่งจะใช้ในการกำจัด RNA primer ออกจาก lagging strand และใช้ในการซ่อมแซมส่วนของการสังเคราะห์ที่ผิดพลาด (repair mutation) โดยทิศทางการตัดจะตัดจาก 5′ ไปยัง 3′ ของสายดีเอ็นเอ ซึ่งมีทิศทางตรงกันข้ามกับ 3′-5′ เอกโซนิวคลีเอส^[2]

การทำงานร่วมกับพอลิเมอเรส

ในการหยุดกระบวนการลอกรหัส(transcriptional termination) เมื่อ อาร์เอนเอพอลิเมอเรส II สังเคราะห์สายเอ็มอาร์เอนเอ(mRNA)จนมาถึงตำแหน่งที่จะต้องมีการเติมอะดีโนซีน(Adenosene)มากๆ เรียกตำแหน่งนี้ว่า พอลิเอซิกเนล(Poly-A signal;AAUAAA)จะมีการสังเคราะห์สายเอ็มอาร์เอนเอของอาร์เอนเอพอลิเมอเรส II เลยไปประมาณ 0.5-2 กิโลเบสแพร์(kilobase pair;kb.) จากนั้นจะมี 5'-3'เอกโซนิวคลีเอส(ในคนสร้างจากยีนเอ็กซ์อาร์เอนทู;Gene Xrn2) มาจับกับอาร์เอนเอพอลิเมอเรส II แล้วทำการตัดส่วนที่มีการสังเคราะห์เกินมาในทิศทาง 5'-3' บนสายเอ็มอาร์เอนเอ พร้อมทั้งนำอาร์เอนเอพอลิเมอเรส II ออกไปด้วย ต่อจากนั้นจะมีเอนไซม์พอลิเอ พอลิเมอเรส(Poly(A)polymerase)มาเติมอะดีโนซีนมอนอฟอตเฟต(Adenosene Monophosphate) ต่อไป^[3]

การทำงานในคน

ในคน 3'-5' เอนโดนิวคลีเอส มีความจำเป็นในการทำงานของฮิสโตน พรี-เอ็มอาร์เอ็นเอ(histone pre-mRNA) และใน U7 small nuclear RNA(U7 sn RNP) จะเป็นตัวชักนำกระบวนการย่อยสลาย(single cleavage process) จากนั้น 5′-3′ เอกโซนิวคลีเอส จะทำการย่อยสลายต่อไปจนเสร็จสมบูรณ์^[4] นี่คือ กระบวนการที่ทำให้นิวคลีโอไทด์ที่ได้ นำกลับมาใช้ใหม่

5′-3′ เอกโซนิวคลีเอส จะทำงานได้นั้น จะต้องเกิดปลาย 5' อิสระบนสายพอลินิวคลีโอไทด์ซึ่งมาจากการทำงานของเอนโดนิวคลีเอสนี่คือจุดเริ่มของการหยุดกระบวนการลอกรหัส(transcription)เพราะไม่มี ดีเอ็นเอ ภายในเซลล์^[5]

การค้นพบใน E.coli

ในปี 1964 โรเบิร์ต เลห์แมน(I. Robert Lehman) ค้นพบ เอกโซนิวคลีเอส I ใน E.coli และนับตั้งแต่ตอนนั้น ก็มีการค้นพบ เอกโซนิวคลีเอส II, III, IV, V, VI, VII, และ VIII ตามมา โดยแต่ละชนิดของเอกโซนิวคลีเอส มีความจำเพาะของการทำงานและจุดประสงค์^[6]

เอกโซนิวคลีเอส I จะสลายดีเอ็นเอสายเดียว(single-strand DNA) ในทิศทาง 3'-5' ทำให้ได้ ดีออกซีไรโบนิวคลีโอไซด์ 5' มอนอฟอสเฟต(deoxyribonucleoside 5'-monophosphates) มันจะไม่ตัดสายดีเอ็นเอที่ไม่มีปลาย 3'-OH (terminal 3'-OH groups) เพราะมีการป้องกันโดยหมู่ฟอสเฟต หรือหมู่อะซิติล^[7]

เอกโซนิวคลีเอส II ทำงานร่วมกับ ดีเอ็นเอพอลิเมอเรส I ซึ่งประกอบด้วย 5' เอกโซนิวคลีเอส ทำงานโดย ตัด อาร์เอนเอไพร์เมอร์ ที่เป็นจุดเริ่มต้นของการสังเคราะห์ดีเอ็นเอ

เอกโซนิวคลีเอส III มี 4 รูปแบบการทำงาน

1. 3'-5' เอกโซดีออกซีไรโบนิวคลีเอส ซึ่งจะเกิดเฉพาะกับ ดีเอ็นเอสายคู่
2. ไรโบนิวคลีเอส
3. 3' ฟอสเฟต
4. เอพี เอนโดนิวคลีเอส (Apurinic/apyrimidinic (AP) endonuclease) ต่อมาเรียกว่า เอนโดนิวคลีเอส II^[8]

เอกโซนิวคลีเอส IV มีการเติมน้ำในโมเลกุล ทำให้ไม่สามารถสลายพันธะของโอลิโกนิวคลีโอไทด์ ไปเป็น นิวคลีโอไซด์ 5' มอนอฟอสเฟต ซึ่ง เอกโซนิวคลีเอสชนิดนี้ ต้องการ Mg²⁺ เพื่อให้สามารถทำงานได้ และยังสามารถทำงานได้ที่อุณหภูมิสูงกว่า เอกโซนิวคลีเอส I^[9]

เอกโซนิวคลีเอส V (เรียกอีกอย่างว่า RecBCD) ทำงานในทิศทาง 3'-5' โดยการเติมน้ำ(3’ to 5’ hydrolyzing enzyme) ซึ่งกระตุ้นดีเอ็นเอสายคู่และดีเอ็นเอสายเดี่ยว และยังต้องการ Ca^2+[10] ในการทำงาน พร้อมทั้งเป็นเอนไซม์ที่มีความสำคัญมากในกระบวนการโฮโมโลกัส รีคอมบิเนชัน (homologous recombination) ; กระบวนการแลกเปลี่ยนชิ้นส่วนดีเอ็นเอของโครโมโซมที่เป็นคู่กัน

เอกโซนิวคลีเอส VII สามารถย่อยสายดีเอ็นเอได้ในทิศทาง 5'-3' หรือ 3'-5' ได้เป็น 5' ฟอสโฟ มอนอนิวคลีโอไทด์

เอกโซนิวคลีเอส VIII ทำหน้าที่ย่อยกรดนิวคลีอิกจากปลาย 5' ไป 3' (5’ to 3’ dimeric protein) ซึ่งไม่ต้องการ เอทีพี(ATP) หรือ gaps (ช่วงของสายดีเอ็นเอที่ถูกตัดออก ขาดหาย หรือไม่มีการสังเคราห์) หรือ nick (การสลายพันธะฟอสโฟไดเอสเทอร์บนสายดีเอ็นเอ) แต่ต้องการปลาย 5'-OH (free 5’ OH group) ในการทำงาน

อ้างอิง

1. Yuhong Liang, Ruth E. Blake (July 2009). "Compound- and enzyme-specific phosphodiester hydrolysis mechanisms revealed by δ18O of dissolved inorganic phosphate: Implications for marine P cycling". Geochimica et Cosmochimica Acta. 73 (13): 3782–3794.
2. หัทยา กาวีวงศ์. (2549). อณูพันธุศาสตร์. กระบวนการสังเคราะห์ดีเอ็นเอและโครโมโซม(น.31-64). พิมพ์ครั้งที่ 2. เชียงใหม่ : บุญไชยการพิมพ์
3. Hage A EL; และคณะ (2008). "Efficient termination of transcription by RNA polymerase I requires the 5′ exonuclease Rat1 in yeast". Genes Dev. 22 (8): 1068–081. doi:10.1101/gad.463708. PMC 2335327. PMID 18413717.
4. Yang XC, Sullivan KD, Marzluff WF, Dominski Z (January 2009). "Studies of the 5′ Exonuclease and Endonuclease Activities of CPSF-73 in Histone Pre-mRNA Processing". Mol. Cell. Biol. 29 (1): 31–42. doi:10.1128/MCB.00776-08. PMC 2612496. PMID 18955505.
5. West S, Gromak N, Proudfoot NJ (November 2004). "Human 5' → 3' exonuclease Xrn2 promotes transcription termination at co-transcriptional cleavage sites". Nature. 432 (7016): 522–5. Bibcode:2004Natur.432..522W. doi:10.1038/nature03035. PMID 15565158.
6. Paul D. Boyer (1952). The Enzymes (1st ed.). Academic Press. p. 211. ISBN 978-0-12-122723-4.
7. Lehman IR, Nussbaum AL (August 1964). "The deoxyribonucleases of Escherichia Coli. V. on the specificity of exonuclease I (Phosphodiesterase)". J. Biol. Chem. 239 (8): 2628–36. doi:10.1016/S0021-9258(18)93898-6. PMID 14235546.
8. Rogers SG, Weiss B (1980). "Exonuclease III of Escherichia coli K-12, an AP endonuclease". Meth. Enzymol. Methods in Enzymology. 65 (1): 11. doi:10.1016/S0076-6879(80)65028-9. ISBN 978-0-12-181965-1. PMID 6246343.
9. Mishra, N. C.; Mishra, Nawin C. (1995). Molecular biology of nucleases. Boca Raton: CRC Press. pp. 46–52. ISBN 978-0-8493-7658-0.
10. Douglas A. Julin (2000). "Detection and Quantitation of RecBCD Enzyme (Exonuclease V) Activity". DNA Repair Protocols. Methods in Molecular Biology. Vol. 152. Humana Press. pp. 91–105. doi:10.1385/1-59259-068-3:91. ISBN 978-0-89603-643-7. PMID 10957971.