Las endonucleasas autodirigidas son una colección de endonucleasas codificadas como genes independientes dentro de intrones , como fusiones con proteínas del hospedador o como inteínas auto-empalmes . Catalizan la hidrólisis del ADN genómico dentro de las células que los sintetizan, pero lo hacen en muy pocas, o incluso en lugares singulares. La reparación del ADN hidrolizado por la célula huésped con frecuencia da como resultado que el gen que codifica la endonucleasa autodirigida se haya copiado en el sitio de escisión, de ahí el término "homing" para describir el movimiento de estos genes. De este modo, las endonucleasas autóctonas pueden transmitir sus genes horizontalmente dentro de una población huésped, aumentando su alelo. frecuencia a tasas mayores que las mendelianas.
Origen y mecanismo
Aunque todavía se está investigando el origen y función de las endonucleasas homing, la hipótesis más establecida las considera como elementos genéticos egoístas , [1] similares a los transposones , porque facilitan la perpetuación de los elementos genéticos que los codifican independientemente de proporcionar un atributo funcional a el organismo huésped.
Las secuencias de reconocimiento de endonucleasas autodirigidas son lo suficientemente largas como para ocurrir aleatoriamente solo con una probabilidad muy baja (aproximadamente una vez cada 7 × 10 9 pb ), [2] y normalmente se encuentran en uno o muy pocos casos por genoma . Generalmente, debido al mecanismo de autodirección, el gen que codifica la endonucleasa (el HEG, "gen de la endonucleasa autodirigida") se encuentra dentro de la secuencia de reconocimiento que corta la enzima, interrumpiendo así la secuencia de reconocimiento de la endonucleasa autodirigida y limitando el corte del ADN solo a los sitios que lo hacen. no (todavía) llevar el HEG.
Antes de la transmisión, un alelo lleva el gen (HEG + ) mientras que el otro no (HEG - ) y, por lo tanto, es susceptible de ser cortado por la enzima. Una vez que se sintetiza la enzima, se rompe el cromosoma en el HEG - alelo, iniciando una respuesta de la celular de reparación del ADN sistema. El daño se repara mediante recombinación , tomando el patrón del alelo de ADN opuesto, no dañado, HEG + , que contiene el gen de la endonucleasa. Así, el gen se copia al alelo que inicialmente no lo tenía y se propaga a través de generaciones sucesivas. [3] Este proceso se llama "homing". [3]
Nomenclatura
Las endonucleasas autodirigidas siempre se indican con un prefijo que identifica su origen genómico, seguido de un guión: "I-" para endonucleasas autodirigidas codificadas dentro de un intrón, "PI-" (para "inserto de proteína") para aquellas codificadas dentro de una inteína. Algunos autores han propuesto usar el prefijo "F-" ("independiente") para enzimas virales y otras enzimas naturales no codificadas por intrones ni inteínas, [4] y "H-" ("híbrido") para enzimas sintetizadas en un laboratorio. [5] A continuación, un nombre de tres letras se deriva del nombre binominal del organismo, tomando una letra mayúscula del nombre del género y dos letras minúsculas del nombre específico . (Por lo general, se realizan algunas mezclas para las enzimas híbridas). Finalmente, un número romano distingue las diferentes enzimas que se encuentran en el mismo organismo:
- PI-TliII ( P30317 ) es la segunda enzima identificada codificada por una inteína que se encuentra en las arqueas Thermococcus litoralis . [6] [7] [8]
- H-DreI ( PDB : 1MOW ) es la primera endonucleasa autodirigida sintética, creada en un laboratorio a partir de las enzimas I-DmoI ( P21505 ) e I-CreI ( P05725 ), obtenidas respectivamente de Desulfurococcus mobilis y Chlamydomonas reinhardtii . [5] [9]
Comparación con las enzimas de restricción
Las endonucleasas autóctonas difieren de las enzimas de restricción de tipo II en varios aspectos: [4]
- Mientras que las enzimas de restricción de tipo II se unen a secuencias de reconocimiento cortas, normalmente simétricas, de 4 a 8 pb , las endonucleasas autodirigidas se unen a secuencias de reconocimiento muy largas y, en muchos casos, asimétricas que abarcan de 12 a 40 pb.
- Las endonucleasas autodirigidas son generalmente más tolerantes a las sustituciones en la secuencia de reconocimiento. Las variaciones menores en la secuencia de reconocimiento generalmente disminuyen la actividad de las endonucleasas autodirigidas, pero a menudo no la eliminan por completo como ocurre a menudo con las enzimas de restricción. [10] [11]
- Las endonucleasas autóctonas comparten motivos estructurales que sugieren que hay cuatro familias, mientras que no ha sido posible determinar familias simplemente reconocibles y distinguibles de enzimas de restricción de tipo II.
- Las endonucleasas autóctonas actúan como monómeros u homodímeros y, a menudo, requieren proteínas asociadas para regular su actividad [12] o formar complejos de ribonucleoproteínas , en los que el ARN es un componente integral del aparato catalítico. [13] Las enzimas de restricción de tipo II también pueden funcionar solas, como monómeros u homodímeros, [14] o con subunidades proteicas adicionales , [15] pero las subunidades accesorias difieren de las de las endonucleasas homing. Por lo tanto, pueden requerir subunidades de restricción, modificación y especificidad para su acción. [15]
- Por último, la vivienda de endonucleasas tienen una más amplia filogenético de distribución, que se producen en los tres dominios biológicos -los arqueas , bacterias y Eukarya . Las enzimas de restricción de tipo II se encuentran solo en arqueas, bacterias y ciertos virus. [16] [17] [18] Las endonucleasas autodirigidas también se expresan en los tres compartimentos de la célula eucariota: núcleos , mitocondrias y cloroplastos . Se han encontrado marcos de lectura abiertos que codifican endonucleasas autodirigidas en intrones , inteínas y en forma independiente entre genes, mientras que los genes que codifican genes de enzimas de restricción de tipo II se han encontrado solo en forma independiente, casi siempre en estrecha asociación con genes que codifican enzimas modificadoras de ADN afines. [19] Por lo tanto, aunque las enzimas de restricción de tipo II y las endonucleasas homing comparten la función de escindir el ADN de doble hebra, parecen haber evolucionado de forma independiente.
Familias estructurales
|
Endonucleasa LAGLIDADG | ||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Identificadores | ||||||||
Símbolo | LAGLIDADG_1 | |||||||
Pfam | PF00961 | |||||||
Clan pfam | CL0324 | |||||||
InterPro | IPR001982 | |||||||
CATH | 1af5 | |||||||
SCOP2 | 1af5 / SCOPe / SUPFAM | |||||||
| ||||||||
Consulte la entrada del clan para las familias Pfam relacionadas. |
Endonucleasa GIY-YIG, catalítica | ||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Identificadores | ||||||||
Símbolo | GIY-YIG | |||||||
Pfam | PF01541 | |||||||
InterPro | IPR000305 | |||||||
PROSITE | PS50164 | |||||||
CATH | 1mk0 | |||||||
SCOP2 | 1mk0 / SCOPe / SUPFAM | |||||||
|
Actualmente hay seis familias estructurales conocidas. Sus motivos estructurales conservados son: [4]
- LAGLIDADG: Cada polipéptido tiene 1 o 2 motivos LAGLIDADG. La secuencia LAGLIDADG es una secuencia conservada de aminoácidos donde cada letra es un código que identifica un residuo específico. Esta secuencia está directamente involucrada en el proceso de corte de ADN. Aquellas enzimas que tienen un solo motivo funcionan como homodímeros, creando una silla que interactúa con el surco principal de cada medio sitio de ADN. Los motivos LAGLIDADG aportan residuos de aminoácidos tanto a la interfaz proteína-proteína entre dominios o subunidades de proteína, como a los sitios activos de la enzima. Las enzimas que poseen dos motivos en una sola cadena de proteína actúan como monómeros, creando la silla de montar de manera similar. Las primeras estructuras en ser determinadas de endonucleasas homing (de PI-SceI e I-CreI, ambas informadas en 1997) fueron ambas de la familia estructural LAGLIDADG., [20] [21] Al año siguiente, la primera estructura de una endonucleasa homing (I-CreI) unido a su sitio diana de ADN también se informó. [9]
- GIY-YIG: estos tienen solo un motivo GIY-YIG, en la región N-terminal , que interactúa con el ADN en el sitio de corte. La enzima prototípica de esta familia es I-TevI, que actúa como monómero. Se han informado estudios estructurales separados de los dominios catalíticos y de unión al ADN de I-TevI, el primero unido a su ADN diana y el segundo en ausencia de ADN., [22] [23]
- Caja His-Cys ( Pfam PF05551 ): estas enzimas poseen una región de 30 aminoácidos que incluye 5 residuos conservados: dos histidinas y tres cisteínas . Ellos Coordinan el catión de metal necesaria para la catálisis. La I-PpoI es la enzima mejor caracterizada de esta familia y actúa como homodímero. Su estructura se informó en 1998. [24] Posiblemente esté relacionada con la familia HNH, ya que comparten características comunes. [25]
- HNH: ( Pfam CL0263 ): tienen una secuencia consenso de aproximadamente 30 aminoácidos. Incluye dos pares de histidinas conservadas y una asparagina que crean un dominio de dedos de zinc . I-HmuI ( P34081 ) es la enzima mejor caracterizada de esta familia y actúa como monómero. Su estructura se informó en 2004 ( PDB : 1U3E ). [26]
- PD- (D / E) xK ( Pfam CL0236 ): estas enzimas contienen un dominio catalítico de nucleasa canónica que se encuentra típicamente en las endonucleasas de restricción de tipo II. La enzima mejor caracterizada de esta familia, I-Ssp6803I ( Q57253 ), actúa como tetrámero. Su estructura se informó en 2007 ( AP : 2OST ). [27] El pliegue general se conserva en muchas familias de endonucleasas, todas las cuales pertenecen a la superfamilia PD- (D / E) xK. [28]
- Vsr-like / EDxHD (DUF559, InterPro : IPR007569 ): estas enzimas se descubrieron en la base de datos metagenómica de muestreo global del océano y se describieron por primera vez en 2009. El término 'Vsr-like' se refiere a la presencia de un dominio de nucleasa C-terminal que muestra homología reconocible con endonucleasas bacterianas de reparación de parche muy corto (Vsr). [29] La estructura se resolvió en 2011, lo que confirma la homología Vsr. [30] Se considera parte de la superfamilia PD- (D / E) xk. [28]
Arquitectura de dominio
Sugerencia asociada a Hom_end | ||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Identificadores | ||||||||
Símbolo | Hom_end_hint | |||||||
Pfam | PF05203 | |||||||
Clan pfam | CL0363 | |||||||
InterPro | IPR007868 | |||||||
SCOP2 | 1gpp / SCOPe / SUPFAM | |||||||
| ||||||||
Motivo Intein del dominio LAGLIDADG Hom_end más grande. |
La endonucleasa de localización de levaduras PI-Sce es una endonucleasa de tipo LAGLIDADG codificada como una inteína que se empalma de otra proteína ( P17255 ). La estructura de alta resolución revela dos dominios : un centro endonucleolítico que se asemeja al dominio C-terminal de las proteínas Hedgehog y un dominio Hint (Hedgehog / Intein) que contiene el sitio activo de empalme de proteínas . [31]
Ver también
- REBASE , una base de datos completa de enzimas de restricción de New England Biolabs con enlaces a literatura relacionada.
- Lista de sitios de corte de endonucleasa homing
- Endonucleasa autodirigida I-CreI
- Meganucleasas
- Enzima restrictiva
- Intrones e inteínas
- Conflicto intragenómico: genes de endonucleasa homing
- Transposon
Referencias
- ^ Edgell DR (febrero de 2009). "ADN egoísta: endonucleasas homing encuentran un hogar" . Curr Biol . 19 (3): R115 – R117. doi : 10.1016 / j.cub.2008.12.019 . PMID 19211047 . S2CID 2380439 .
- ^ Jasin M (junio de 1996). "Manipulación genética del genomonth con endonucleasas de corte raro". Trends Genet . 12 (6): 224–8. doi : 10.1016 / 0168-9525 (96) 10019-6 . PMID 8928227 .
- ^ a b Burt A, Koufopanou V (diciembre de 2004). "Homing endonucleasa genes: el ascenso y la caída y el ascenso de nuevo de un elemento egoísta". Curr Opin Genet Dev . 14 (6): 609-15. doi : 10.1016 / j.gde.2004.09.010 . PMID 15531154 .
- ^ a b c Belfort M, Roberts RJ (septiembre de 1995). "Homing endonucleases: mantener la casa en orden" . Ácidos nucleicos Res . 25 (17): 3379–88. doi : 10.1093 / nar / 25.17.3379 . PMC 146926 . PMID 9254693 .
- ^ a b Chevalier BS, Kortemme T, Chadsey MS, Baker D, Monnat RJ, Stoddard BL (octubre de 2002). "Diseño, actividad y estructura de una endonucleasa artificial altamente específica" . Mol. Celular . 10 (4): 895–905. doi : 10.1016 / S1097-2765 (02) 00690-1 . PMID 12419232 .
- ^ Hirata R, Ohsumk Y, Nakano A, Kawasaki H, Suzuki K, Anraku Y (abril de 1990). "Estructura molecular de un gen, VMA1, que codifica la subunidad catalítica de H (+) - translocación de adenosina trifosfatasa de membranas vacuolares de Saccharomyces cerevisiae". J Biol Chem . 265 (12): 6726–33. PMID 2139027 .
- ^ Kane PM, Yamashiro CT, Wolczyk DF, Neff N, Goebl M, Stevens TH (noviembre de 1990). "El empalme de proteínas convierte el producto del gen de levadura TFP1 en la subunidad de 69 kD de la vacuolar H (+) - adenosina trifosfatasa". Ciencia . 250 (4981): 651–7. Código Bibliográfico : 1990Sci ... 250..651K . doi : 10.1126 / science.2146742 . PMID 2146742 .
- ^ Perler FB, Comb DG, Jack WE, Moran LS, Qiang B, Kucera RB, Benner J, Slatko BE, Nwankwo DO, Hempstead SK, Carlow CK, Jannasch H (junio de 1992). "Secuencias que intervienen en un gen de la ADN polimerasa de Archaea" . PNAS . 89 (12): 5577–81. Código Bibliográfico : 1992PNAS ... 89.5577P . doi : 10.1073 / pnas.89.12.5577 . PMC 49335 . PMID 1608969 .
- ^ a b c Jurica MS, Monnat RJ, Stoddard BL (octubre de 1998). "Reconocimiento y escisión de ADN por la endonucleasa I-CreI de homing LAGLIDADG" (PDF) . Mol. Celular . 2 (4): 469–76. doi : 10.1016 / S1097-2765 (00) 80146-X . PMID 9809068 .
- ^ Gimble FS, Wang J (octubre de 1996). "Reconocimiento de sustrato y distorsión del ADN inducida por la endonucleasa PI-SceI, una enzima generada por el empalme de proteínas". J Mol Biol . 263 (2): 163–80. doi : 10.1006 / jmbi.1996.0567 . PMID 8913299 .
- ^ Argast GM, Stephens KM, Emond MJ, Monnat RJ (julio de 1998). "Degeneración de la secuencia del sitio de alojamiento I-PpoI e I-CreI determinada por mutagénesis aleatoria y enriquecimiento secuencial in vitro". J Mol Biol . 280 (3): 345–53. doi : 10.1006 / jmbi.1998.1886 . PMID 9665841 .
- ^ Shibata T, Nakagawa K, Morishima N (1995). "Endonucleasas específicas de sitios múltiples y el inicio de la recombinación genética homóloga en levadura". Adv Biophys . 31 : 77–91. doi : 10.1016 / 0065-227X (95) 99384-2 . PMID 7625280 .
- ^ Zimmerly S, Guo H, Eskes R, Yang J, Perlman PS, Lambowitz AM (noviembre de 1995). "Un ARN intrón del grupo II es un componente catalítico de una endonucleasa de ADN implicada en la movilidad del intrón" . Celular . 83 (4): 529–38. doi : 10.1016 / 0092-8674 (95) 90092-6 . PMID 7585955 . S2CID 10456475 .
- ^ Linn, Stuart M; Lloyd, R. Stephen; Roberts, Richard J (diciembre de 1993). Nucleasas . Prensa de Cold Spring Harbor . págs. 35–88. ISBN 978-0-87969-426-5.
- ^ a b Linn, Stuart M; Lloyd, R. Stephen; Roberts, Richard J (diciembre de 1993). Nucleasas . Prensa de Cold Spring Harbor . págs. 89-109. ISBN 978-0-87969-426-5.
- ^ Roberts RJ, Macelis D (enero de 1997). "REBASE-enzimas de restricción y metilasas" . Ácidos nucleicos Res . 25 (1): 248–62. doi : 10.1093 / nar / 25.1.248 . PMC 146408 . PMID 9016548 .
- ^ Lambowitz AM, Belfort M (1993). "Los intrones como elementos genéticos móviles". Annu Rev Biochem . 62 : 587–622. doi : 10.1146 / annurev.bi.62.070193.003103 . PMID 8352597 .
- ^ Linn, Stuart M; Lloyd, R. Stephen; Roberts, Richard J (diciembre de 1993). Nucleasas . Prensa de Cold Spring Harbor . págs. 111-143. ISBN 978-0-87969-426-5.
- ^ Wilson GG (diciembre de 1988). "Sistemas de modificación de restricción clonados: una revisión". Gene . 74 (1): 281–9. doi : 10.1016 / 0378-1119 (88) 90304-6 . PMID 3074014 .
- ^ Heath, P .; et al. (Junio de 1997). "La estructura de I-Crel, una endonucleasa homing codificada por intrón del grupo I". Biología estructural de la naturaleza . 4 (6): 468–476. doi : 10.1038 / nsb0697-468 . PMID 9187655 . S2CID 12261983 .
- ^ Duan, X. (mayo de 1997). "Estructura cristalina de PI-SceI, una endonucleasa autodirigida con actividad de empalme de proteínas" . Celular . 89 (4): 555–564. doi : 10.1016 / S0092-8674 (00) 80237-8 . PMID 9160747 . S2CID 14156646 .
- ^ Van Roey, P .; Fox, KM; et al. (Julio de 2001). "Estructura entrelazada del dominio de unión al ADN del intrón endonucleasa I-TevI con su sustrato" . EMBO J . 20 (14): 3631–3637. doi : 10.1093 / emboj / 20.14.3631 . PMC 125541 . PMID 11447104 .
- ^ Van Roey, P .; Kowalski, Joseph C .; et al. (Julio de 2002). "Estructura del dominio catalítico e hipótesis para la función de la endonucleasa I-TevI del intrón GIY-YIG". Biología estructural de la naturaleza . 9 (11): 806–811. doi : 10.1038 / nsb853 . PMID 12379841 . S2CID 24856337 .
- ^ Flick, K .; et al. (Julio de 1998). "Unión de ADN y escisión por la endonucleasa de localización I-PpoI codificada por intrón nuclear". Naturaleza . 394 (6688): 96–101. Código Bibliográfico : 1998Natur.394 ... 96F . doi : 10.1038 / 27952 . PMID 9665136 . S2CID 4427957 .
- ^ Hafez, M; Hausner, G (agosto de 2012). "Homing endonucleasas: tijeras de ADN en una misión" . Genoma . 55 (8): 553–69. doi : 10.1139 / g2012-049 . PMID 22891613 .
- ^ Shen, BW; et al. (Septiembre de 2004). "Unión y escisión de ADN por la endonucleasa I-HmuI de dirección de HNH". J. Mol. Biol . 342 (1): 43–56. doi : 10.1016 / j.jmb.2004.07.032 . PMID 15313606 .
- ^ Zhao, L .; et al. (Mayo de 2007). "El pliegue de restricción se convierte en el lado oscuro: una endonucleasa de localización bacteriana con un motivo PD- (D / E) -XK" . Revista EMBO . 26 (9): 2432–2442. doi : 10.1038 / sj.emboj.7601672 . PMC 1864971 . PMID 17410205 .
- ^ a b Steczkiewicz, K; Muszewska, A; Knizewski, L; Rychlewski, L; Ginalski, K (agosto de 2012). "Secuencia, estructura y diversidad funcional de la superfamilia de fosfodiesterasa PD- (D / E) XK" . Investigación de ácidos nucleicos . 40 (15): 7016–45. doi : 10.1093 / nar / gks382 . PMC 3424549 . PMID 22638584 .
- ^ Dassa, B .; et al. (Marzo de 2009). "Genes fracturados: un nuevo arreglo genómico que implica nuevas inteínas divididas y una nueva familia de endonucleasas autodirigidas" . Investigación de ácidos nucleicos . 37 (8): 2560-2573. doi : 10.1093 / nar / gkp095 . PMC 2677866 . PMID 19264795 .
- ^ Taylor, GK; Heiter, DF; Pietrokovski, S; Stoddard, BL (diciembre de 2011). "Actividad, especificidad y estructura de I-Bth0305I: un representante de una nueva familia de endonucleasas homing" . Investigación de ácidos nucleicos . 39 (22): 9705-19. doi : 10.1093 / nar / gkr669 . PMC 3239194 . PMID 21890897 .
- ^ Moure CM, Gimble FS, Quiocho FA (octubre de 2002). "Estructura cristalina de la endonucleasa de búsqueda de inteína PI-SceI unida a su secuencia de reconocimiento". Nat. Struct. Biol . 9 (10): 764–70. doi : 10.1038 / nsb840 . PMID 12219083 . S2CID 40192379 .
enlaces externos
- Perler FB. "InBase" . Archivado desde el original el 2 de agosto de 2010 . Consultado el 9 de agosto de 2010 .
La base de datos y el registro de Intein (de New England Biolabs)
- Perler FB (enero de 2002). "InBase: la base de datos de Intein" . Ácidos nucleicos Res . 30 (1): 383–4. doi : 10.1093 / nar / 30.1.383 . PMC 99080 . PMID 11752343 .