Екзонуклеази

Рис.1 3' - 5' екзонуклеаза, асоційована з ДНК-полімеразою І

Екзонуклеази — нуклеази, які розщеплюють полінуклеотидні ланцюжки по одній субодиниці з кінця полінуклеотидного ланцюжка. Ці ферменти гідролізують фосфодіефірні зв'язки або з 3'-, або з 5'-кінця молекули. Відомі як у вигляді окремих ферментів, так і у вигляді частин великих білкових комплексів.

ДНК-полімераза I містить 5'-екзонуклеазу, що відщеплює РНК-праймер безпосередньо вгорі від точки синтезу ДНК в 3' → 5' напрямку. Це дозволяє полімеразі синтезувати нуклеотиди ДНК замість РНК, які відщеплює екзонуклеаза. Іншим прикладом є один з головних механізмів деградації РНК серед архей та еукаріотів, що використовує великий білковий екзосомний комплекс, що значною мірою складається з 3' → 5' екзорибонуклеаз.

Відмінності між ендонуклеазами та екзонуклеазами [1]

Характеристика	Ендонуклеази	Екзонуклеази
Механізм дії	Розділяє нуклеотидну послідовність на 2 або більше фрагментів	Поодиноке відщеплення нуклеотидів з кінця нуклеотидної послідовності, поодиноко
Місце дії	З середини полінуклеотидної послідовності	З кінця полінуклеотидної послідонвості
3' або 5'-ОН - групи	Не потрібні	Необхідні
Лаг - фаза	Проходять лаг - фазу перед своєю активністю	Відсутня
Специфічність	Сиквенс-специфічні	Неспецифічні
Результат	Відщеплює олігонуклеотиди	Відщеплює нуклеотиди
Значення	Відіграють важливу роль у відновленні ДНК, блокування проникнення патогенів	Відновлення, стабілізація та перевірка ДНК (як і в ендонуклеаз), але не блокують проникнення патогенів

Рис.2 Принцип дії ендо- та екзонуклеаз

Типи екзонуклеаз у E.coli

Рис.3 Екзонуклеазна активність RecBCD (екзонуклеаза V) у E.Coli

У 1971 р. Ізраїль Роберт Леман, американський біохімік литовського походження, дослідив екзонуклеазу типу І на прикладі E.coli. В той же час повідомлялося про проведення різноманітних досліджень в області вивчення екзонуклеаз ІІ, ІІІ, IV, V, VI, VII та VIII. Кожен з типів нуклеаз виконує певні функції та вимагає своїх особливостей для роботи [2].

• Екзонуклеаза I розщеплює одноланцюгову ДНК у напрямку 3' → 5', вивільняючи дезоксирибонуклеозид 5'-монофосфати один за одним. Вона не розщеплює ланцюги ДНК, які не містять кінцевих 3'-OH - груп, оскільки вони блокуються фосфорильними або ацетильними групами [3].
• Екзонуклеаза ІІ асоційована із ДНК-полімеразою І, яка містить 5'-екзонуклеазу, яка від’єднує РНК-праймер, що міститься безпосередньо перед місцем синтезу ДНК у порядку 5' → 3' кінця.
• Екзонуклеаза III володіє 4-ма каталітични активностями:

- 3'-5' екзодезоксирибонуклеазна активність, яка є специфічною для дволанцюгової ДНК;

- активність РНК-ази;

- активність 3' фосфатази;

- активність ендонуклеази AP (пізніше було встановлено, що її назвали ендонуклеазою II) [4].

• Екзонуклеаза IV приєднує молекулу води, тому вона може розірвати зв'язок олігонуклеотиду з нуклеозид 5' монофосфатом. Для функціонування за більш високих температур, ніж екзонуклеаза I, цьому типу ферментів необхідна наявність іонів Mg 2+ [5].
• Екзонуклеаза V — це 3'-5' гідролізуючий фермент, який каталізує лінійну дволанцюгову ДНК і одноланцюгову ДНК, для чого йому необхідна присутність Ca2+ [6]. Цей фермент виконує важливу роль у процесі гомологічної рекомбінації. Екзонуклеаза VIII — являє собою 5'-3'-димерний білок, якому не потрібен АТФ або будь-які розриви у послідовності, однак він потребує вільної 5'-ОН-групи для виконання своєї функції.

Людські екзонуклеази

3'-5' ендонуклеаза людського типу має важливе значення для належного процесингу пре-мРНК гістону, в якій U7 snRNP керує єдиним процесом розщеплення. Після видалення наступного продукту розщеплення (DCP) Xrn1 продовжує подальше розщеплення продукту, поки він повністю не розпадеться [7]. Це дає можливість повторно використовувати нуклеотиди. Xrn1 пов'язаний з активністю котранскрипційного розщеплення (CoTC), який діє як попередник для розвитку вільного 5' - незахищеного кінця, тому екзонуклеаза може видаляти та розкладати продукт розщеплення, що йде далі (DCP). Внаслідок цього ініціюється припинення транскрипції, оскільки людському організму немає сенсу накопичувати в своєму тілі ланцюги ДНК або РНК [8].

Екзонуклеази дріжджів

CCR4-Not є загальним комплексом регуляції транскрипції в дріжджах, які брунькуються, та який, як з’ясовано, пов’язаний з метаболізмом мРНК, ініціацією транскрипції та деградацією мРНК. Досліджено, що CCR4 містить РНК і володіє екзонуклеазною активністю до одноланцюгової ДНК у 3'-5' напрямі [9]. Іншим компонентом, пов’язаним з CCR4-Not, є білок CAF1, який містить 3'-5' або 5'-3' екзонуклеазні домени в миші та вільноживучої нематоди. Цей білок не було виявлено в дріжджах, що свідчить про те, що він, скоріше за все, має аномальний екзонуклеазний домен, подібний до того, який спостерігається у багатоклітинних тварин [10].

Дріжджі містять екзонуклеази Rat1 і Xrn1. Rat1 працює так само, як екзонуклеаза людського типу (Xrn2), а функція Xrn1 у цитоплазмі здійснюєтья в напрямку від 5' до 3' кінця для деградації РНК (рРНК до 5,8s і 25s) за відсутності Rat1 [11] [12].

Коронавірусні екзонуклеази

У бета-штаммів коронавірусів, до яких також належить і SARS-CoV-2, присутня екзонуклеаза nsp14-ExoN. Вона є складовою вірусного геному, яка відповідає за рекомбінацію та бере участь у появі нового штаму [13].

Див. також

• Нуклеази
• Рестриктази
• Ендонуклеази

Джерела

1. N, Supriya (15 січня 2019). Difference Between Endonuclease and Exonuclease (with Comparison Chart). Biology Reader (амер.). Процитовано 5 листопада 2022.
2. Boyer, Paul D.; Krebs, Edwin G.; Sigman, D. S.; Tamanoi, Fuyuhiko; Dalbey, Ross E.; Hackney, David D.; Clarke, Steven G.; Koehler, Carla M.; Menon, Anant Kumar (1970-). The enzymes. New York: Academic Press. ISBN 0-12-122701-4. OCLC 134449.
3. Lehman, I. R.; Nussbaum, A. L. (1 серпня 1964). The Deoxyribonucleases of Escherichia coli: V. ON THE SPECIFICITY OF EXONUCLEASE I (PHOSPHODIESTERASE). Journal of Biological Chemistry (English) . Т. 239, № 8. с. 2628—2636. doi:10.1016/S0021-9258(18)93898-6. ISSN 0021-9258. PMID 14235546. Процитовано 5 листопада 2022.
4. Internet Archive (1967). Nucleic acids. New York : Academic Press. ISBN 978-0-12-181854-8.
5. Mishra, Nawin C. (1995). Molecular biology of nucleases. Boca Raton: CRC Press. ISBN 0-8493-7658-0. OCLC 31436640.
6. Julin, Douglas A. (2000). Vaughan, Pat (ред.). Detection and Quantitation of RecBCD Enzyme (Exonuclease V) Activity. DNA Repair Protocols: Prokaryotic Systems (англ.). Totowa, NJ: Humana Press. с. 91—105. doi:10.1385/1-59259-068-3:91. ISBN 978-1-59259-068-1.
7. Yang, Xiao-cui; Sullivan, Kelly D.; Marzluff, William F.; Dominski, Zbigniew (2009-1). Studies of the 5′ Exonuclease and Endonuclease Activities of CPSF-73 in Histone Pre-mRNA Processing. Molecular and Cellular Biology. Т. 29, № 1. с. 31—42. doi:10.1128/MCB.00776-08. ISSN 0270-7306. PMC 2612496. PMID 18955505. Процитовано 5 листопада 2022.
8. SEO Issues and Website Marketing Blog. SEO Issues and Website Marketing Blog (англ.). 8 листопада 2015. Процитовано 5 листопада 2022.
9. Chen, Junji; Chiang, Yueh-Chin; Denis, Clyde L. (15 березня 2002). CCR4, a 3′–5′ poly(A) RNA and ssDNA exonuclease, is the catalytic component of the cytoplasmic deadenylase. The EMBO Journal. Т. 21, № 6. с. 1414—1426. doi:10.1093/emboj/21.6.1414. ISSN 0261-4189. PMID 11889047. Процитовано 5 листопада 2022.
10. archive.ph. archive.ph. Архів оригіналу за 18 липня 2012. Процитовано 5 листопада 2022.
11. Henry, Y; Wood, H; Morrissey, J P; Petfalski, E; Kearsey, S; Tollervey, D (15 травня 1994). The 5' end of yeast 5.8S rRNA is generated by exonucleases from an upstream cleavage site. The EMBO Journal. Т. 13, № 10. с. 2452—2463. ISSN 0261-4189. PMID 7515008. Процитовано 5 листопада 2022.
12. Geerlings, T. H.; Vos, J. C.; Raué, H. A. (1 грудня 2000). The final step in the formation of 25S rRNA in Saccharomyces cerevisiae is performed by 5'-->3' exonucleases. RNA (англ.). Т. 6, № 12. с. 1698—1703. ISSN 1355-8382. PMID 11142370. Процитовано 5 листопада 2022.
13. Gribble, Jennifer; Stevens, Laura J.; Agostini, Maria L.; Anderson-Daniels, Jordan; Chappell, James D.; Lu, Xiaotao; Pruijssers, Andrea J.; Routh, Andrew L.; Denison, Mark R. (19 січня 2021). The coronavirus proofreading exoribonuclease mediates extensive viral recombination. PLoS Pathogens. Т. 17, № 1. с. e1009226. doi:10.1371/journal.ppat.1009226. ISSN 1553-7366. PMC 7846108. PMID 33465137. Процитовано 5 листопада 2022.