ДНК гликозилаза

ДНК гликозилазите се фамилија од ензими кои се вклучени во поправка на ексцизија на базата, што се класифицирани под EК број EC 3.2.2. Поправка на базна ексцизија е механизам со кој оштетените бази во ДНК се отстранувани и заменувани. ДНК гликозилазите го катализираат првиот чекор од овој процес. Тие ја отстрануваат оштетената азотна база додека го оставаат непроменет столбот на шеќер-фосфат, создавајќи апуринска/апиримидинска локација, вообичаено наречена АП-локација. Ова се постигнува со превртување на оштетената основа надвор од двојната спирала проследено со расцепување на N-гликозидната врска.

Гликозилазите за прв пат ги откриле кај бактериите и оттогаш биле пронајдени во сите кралства на животот. Покрај нивната улога во поправката на ексцизијата на базата, ензимите на ДНК гликозилазата биле вмешани во репресијата на замолчувањето на гените кај A. thaliana, N. tabacum и други растенија кои биле со активна деметилација. Остатоците од 5-метилцитозин биле отсечени и исто така заменети со неметилирани цитозини со тоа им овозможувале пристап до структурата на хроматин на ензимите и протеините неопходни за транскрипција и последователен превод.

 Монофункционални наспроти бифункционални гликозилази 
Овде има две главни класи на гликозилази: една монофункционална и друга бифункционална. Монофункционалните гликозилази имале само гликозилазна активност, додека бифункционалните гликозилази, исто така, поседувале активност на АП лиаза што им овозможувало да ја пресечат фосфодиестерската врска на ДНК, создавајќи прекин на една жичка без потреба од АП ендонуклеаза. β-Елиминацијата на AP-локација со гликозилаза-лиаза дава 3' α, β-незаситен алдехид во непосредна близина на 5' фосфат, кој се разликувал од производот на расцепување на AP ендонуклеазата. Некои гликозилаза-лиази можеле дополнително да вршат δ-елиминација, што го претворало 3' алдехидот во 3' фосфат.

 Биохемиски механизам 
Првата кристалографија на ДНК гликозилаза била добиена за E. coli Nth. Оваа структура открила дека ензимот ја превртувал оштетената основа од двојната спирала во џебот на активното место за да биде акцизирана. Оттогаш било откриено дека други гликозилази ја следеле истата општа парадигма, вклучувајќи го и човечкиот UNG што е прикажан на сликата подолу. За да се расцепи N-гликозидната врска, монофункционалните гликозилази користеле активирана молекула на вода за да можат да го нападнат јаглеродот 1 од подлогата. Наместо тоа, бифункционалните гликозилази користеле амински остаток како нуклеофил за да го нападнат истиот јаглерод, минувајќи низ посредник на Шифова база.

 Видови гликозилази 
Кристалните структури на многу гликозилази се веќе решени. Врз основа на структурната сличност, гликозилазите се групирани во четири суперфамилии. Фамилиите UDG и AAG содржеле мали, компактни гликозилази, додека семејствата MutM/Fpg и HhH-GPD содржеле поголеми ензими со повеќе домени.

Широкиот спектар на гликозилази еволуирале за да ги препознаат различните оштетени бази. Табелата подолу ги сумирала својствата на познатите гликозилази во вообичаено проучуваните модел организми.
+Гликозилази во бактерии, квасец и луѓе  Ешерихија коли B. cereus Квасец ( S. cerevisiae ) Човечки Тип Супстрати АлкА АлкЕ Маг1 MPG (N-метилпурин ДНК гликозилаза) монофункционални 3-meA (3-алкиладенин), хипоксантин UDG Ung1 УНГ монофункционални урацил Fpg Ogg1 h OGG1 бифункционални 8-оксоГ (8-оксогванин), ФапиГ Nth Ntg1 h NTH1 бифункционални Tg, hoU, hoC, уреа, FapyG(2,6-диамино-4-хидрокси-5-формимидопиримидин) Ntg2 Неи Отсутен hNEIL1 бифункционални Tg, hoU, hoC, уреа, FapyG, FapyA(4,6-диамино-5-формамидопиримидин) hNEIL2 АП-страница, hoU hNEIL3 непознат MutY Отсутен hMYH монофункционални А: 8-оксоГ Отсутен Отсутен hSMUG1 монофункционални U, hoU (5-хидроксиурацил), hmU (5-хидроксиметилурацил), fU (5-формилурацил) Отсутен Отсутен ТДГ монофункционални Т:Г погрешно спарување Отсутен Отсутен MBD4 монофункционални Т:Г погрешно спарување AlkC AlkC Отсутен Отсутен монофункционални Алкилпурин АлкД АлкД Отсутен Отсутен монофункционални Алкилпурин
ДНК гликозилазите можеле да се групираат во следните категории базирани на нивниот супстрат(и):

 Урацил ДНК гликозилази 
десно|мини|300x300пкс| Структура на ензимот за поправка на база-екцизија урацил-ДНК гликозилаза. Остатокот од урацил е прикажан со жолта боја.
Во молекуларната биологија, семејството на протеини, Урацил-ДНК гликозилазата (UDG) бил ензим кој ги враќал мутациите во ДНК. Најчестата мутација бил деаминација на цитозин во урацил. UDG ги поправал овие мутации. UDG бил клучен во поправката на ДНК, без него овие мутации можеле да доведат до рак.

Овој запис претставувал различни урацил-ДНК гликозилази и сродни ДНК гликозилази (ЕК ), како што се урацил-ДНК гликозилаза, термофилна урацил-ДНК гликозилаза, ДНК гликозилаза специфична за неусогласеност на G:T/U (Шолја) и едножична селективна монофункционална урацил-ДНК гликозилаза (SMUG1).

Урацил ДНК гликозилазите го отстранувале урацилот од ДНК, што можело да настане или со спонтана деаминација на цитозин или со погрешно инкорпорирање на dU наспроти dA за време на репликацијата на ДНК. Прототипниот член на ова семејство бил E. coli UDG, кој бил меѓу првите откриени гликозилази. Четири различни активности на урацил-ДНК гликозилаза биле идентификувани во клетките на цицачите, вклучувајќи ги UNG, SMUG1, TDG и MBD4. Тие се разликувале во специфичноста на супстратот и субклеточната локализација. SMUG1 претпочитала едноверижна ДНК како супстрат, но исто така го отстранувала U од двоверижна ДНК. Покрај немодифицираниот урацил, SMUG1 можело да акцизира 5-хидроксиурацил, 5-хидроксиметилурацил и 5-формилурацил кои носеле оксидирана група на прстенот C5. TDG и MBD4 биле строго специфични за двоверижна ДНК. TDG можел да го отстрани тимин гликолот кога е присутен наспроти гванин, како и деривати на U со модификации на јаглерод 5. Тековните докази сугерирале дека, во човечките клетки, TDG и SMUG1 се главните ензими одговорни за поправка на погрешно спарување на U:G што биле предизвикани од спонтана деаминација на цитозин, додека урацилот што се појавувал во ДНК преку погрешната инкорпорација на dU главно се справува со UNG. Се сметало дека MBD4 ги коригирал несовпаѓањата на T:G кои произлегувале од деаминација на 5-метилцитозин до тимин во местата на CpG. Глувците со мутант MBD4 се развивале нормално и не покажувале зголемена подложност на рак или намалено преживување. Но, тие добивале повеќе КТ мутации во секвенците на CpG во епителните клетки на тенкото црево.

Структурата на човечкиот UNG во комплекс со ДНК открила дека, како и другите гликозилази, го превртувала целниот нуклеотид надвор од двојната спирала и во џебот на активното место. UDG претрпувала конформациска промена од „отворена“ неврзана состојба во „затворена“ состојба врзана за ДНК.Slupphaug G, Mol CD, Kavli B, Arvai AS, Krokan HE, Tainer JA. (1996). A nucleotide-flipping mechanism from the structure of human uracil–DNA glycosylase bound to DNA. 384: 87-92.
 Историја 
Линдал била првата што забележала поправка на урацил во ДНК. UDG бил прочистен од Escherichia coli, и ова ја хидролизирало N-гликозидната врска што ја поврзувала базата со деоксирибозниот шеќер на ДНК-рбетот.

 Функција 
UDG имал функција да ги отстрани мутациите во ДНК, поконкретно отстранување на урацил.

 Структура 
Овие протеини имале 3-слојна алфа/бета/алфа структура. Полипептидната топологија на UDG е онаа на класичен алфа/бета протеин. Структурата се состоела првенствено од централен, четири верижен, целосно паралелен бета лист, кој бил опкружен од двете страни со вкупно осум алфа спирали и се нарекувал паралелен двојно намотан бета лист.

 Механизам 
Урацил-ДНК гликозилазите се ензими за поправка на ДНК кои ги отсекувале остатоците од урацил од ДНК со расцепување на N-гликозидната врска, иницирајќи ја патеката за поправка на базната ексцизија. Урацилот во ДНК можел да настане или преку деаминација на цитозин за да формира мутагени U:G погрешни парови, или преку инкорпорирање на dUMP со ДНК полимераза за да формира парови U:A. Овие аберантни остатоци од урацил се генотоксични.

 Локализација 
Во еукариотските клетки, активноста на UNG се наоѓала и во јадрото и во митохондриите. Човечкиот UNG1 протеин се транспортирал и до митохондриите и до јадрото.

 Конзервација 
Редоследот на урацил-ДНК гликозилазата бил исклучително добро зачуван кај бактериите и еукариотите, како и кај вирусите на херпес. Подалечно поврзаните урацил-ДНК гликозилази биле исто така пронајдени во вирусите на покс. Се чинело дека N-терминалните 77 аминокиселини на UNG1 биле потребни за митохондријална локализација, но присуството на митохондријален транзитен пептид не е директно докажано. Најконзервираниот регион со N-терминал содржел остаток од аспарагинска киселина што е предложено, врз основа на структури на рендгенски зраци за да дејствува како општа основа во каталитичкиот механизам.

 Семејство 
Постоеле две UDG семејства, именувани Семејство 1 и Семејство 2. Семејство 1 била активна против урацил во ssDNA и dsDNA. Семејство 2 акцизен урацил од несовпаѓање со гванин.

 Гликозилази на оксидирани бази 
мини|8-oxoG (син) во базен пар на Hoogsteen со dA (анти)
Различни гликозилази еволуирале за да можат да ги  препознаат оксидираните бази, кои вообичаено биле формирани од реактивни видови кислород генерирани за време на клеточниот метаболизам. Најзастапените лезии формирани кај остатоците од гванин биле 2,6-диамино-4-хидрокси-5-формамидопиримидин (FapyG) и 8-оксогуанин. Поради погрешното поврзување со аденинот за време на репликацијата, 8-oxoG бил многу мутаген, што резултирало со G-T трансверзии. Поправката на оваа лезија била иницирана од бифункционалната ДНК гликозилаза OGG1, која препознала 8-oxoG спарена со C. MYH препознала аденин погрешно поврзан со 8-oxoG, но го отсекува А, оставајќи го 8-oxoG недопрен. Глувците со нокаут OGG1 не покажувале зголемена инциденца на тумор, но акумулирале 8-oxoG во црниот дроб како што старееле. Сличен фенотип бил забележан со инактивирање на MYH, но истовремената инактивација и на MYH и на OGG1 предизвикувала акумулација на 8-oxoG во повеќе ткива, вклучувајќи ги белите дробови и тенкото црево. Кај луѓето, мутациите во MYH биле поврзани со зголемен ризик од развој на полипи на дебелото црево и рак на дебелото црево. Покрај OGG1 и MYH, човечките клетки содржат три дополнителни ДНК гликозилази, NEIL1, NEIL2 и NEIL3. Овие се хомологни на бактериските Nei, а нивното присуство веројатно ги објаснува благите фенотипови на глувците со нокаут OGG1 и MYH.

 Гликозилази на алкилирани бази 
Оваа група вклучувала E. coli AlkA и сродни протеини во повисоките еукариоти. Овие гликозилази биле монофункционални и препознавале метилирани бази, како што е 3-метиладенин.

 АлкА 
AlkA се однесува на 3-метиладенин ДНК гликозилаза II.

 Патологија 

 ДНК гликозилазите вклучени во поправка на базната ексцизија (BER) може да бидат поврзани со ризикот од рак кај носителите на мутации на BRCA1 и BRCA2.

 Епигенетски недостатоци кај ракот 
Епигенетските измени (епимутации) во гените на ДНК гликозилазата неодамна почнале да се оценуваат кај неколку видови на рак, во споредба со бројните претходни студии за епимутации во гените кои дејствувале на други патишта за поправка на ДНК (како MLH1 во поправка на несовпаѓање и MGMT во директен пресврт) . Два примери на епимутации во гените на ДНК гликозилаза кои се јавувале кај ракот се сумирани подолу.

 MBD4 
десно|мини| Хидролиза на цитозин во урацил
MBD4 (метил-CpG-врзувачки домен протеин 4) била гликозилаза употребена во почетниот чекор на поправка на базната ексцизија. MBD4 протеинот преференцијално се врзувла за целосно метилирани CpG мест. Овие изменети бази произлегле од честа хидролиза на цитозин во урацил (види слика) и хидролиза на 5-метилцитозин во тимин, создавајќи G:U и G:T базни парови Ако несоодветните урацили или тимини во овие базни парови не биле остранети пред репликацијата на ДНК, тие можеле да предизвикаат транзициски мутаци. MBD4 конкретно го катализира отстранувањето на T и U спарени со гванин (G) во CpG местата Ова е важна функција за поправка бидејќи околу 1/3 од сите интрагени мутации со еден базен пар кај човечките канцери се јавувале во CpG динуклеотидите и се резултат на транзициите од G:C во A:T. Овие транзиции ги сочинуваат најчестите мутации кај човечкиот рак. На пример, скоро 50% од соматските мутации на туморскиот супресорен ген p53 кај ракот на дебело црево се G:C во A:T транзиции во CpG местата. Така, намалувањето на изразувањето на MBD4 може да предизвика зголемување на канцерогените мутации.

Експресијата на MBD4 била намалена кај скоро сите колоректални неоплазми поради епигенетика на ракот на промотерскиот регион на MBD4. Исто така MBD4 е дефицитарен поради мутација кај околу 4% од колоректалните карциноми,

Поголемиот дел од хистолошки нормалните полиња околу неопластични израстоци (аденоми и карциноми на дебелото црево) во дебелото црево, исто така, покажувале намалена експресија на MBD4 mRNA (дефект на полето) во споредба со хистолошки нормалното ткиво од индивидуи кои никогаш немале неоплазма на колонот. Ова откритие сугерирало дека епигенетското замолчување на MBD4 е ран чекор во колоректалната карциногенеза.

Кај кинеската популација која била евалуирана, полиморфизмот MBD4 Glu346Lys бил поврзан со околу 50% намален ризик од рак на грлото на матката, што сугерирало дека промените во MBD4 се важни кај овој рак.

 НИЛ1 
Nei-like (NEIL) 1 е ДНК гликозилаза од семејството Nei (која исто така содржела NEIL2 и NEIL3). NEIL1 е компонента на комплексот за репликација на ДНК, кој е потребен за надзор на оксидираните бази пред репликацијата, и се чинело дека делува како „фаќач“ за да ја забави репликацијата додека NEIL1 не може да дејствува како гликозилаза и да ја отстрани оксидативно оштетената база.

NEIL1 протеинот препознава (цели) и отстранува одредени оксидативно-оштетени бази и потоа го засекува абазичното место преку β,δ елиминација, оставајќи 3' и 5' фосфатни краеви. NEIL1 препознава оксидирани пиримидини, формамидопиримидини, остатоци од тимин оксидирани во метил групата и двата стереоизомери на тимин гликол. Најдобрите супстрати за човечкиот NEIL1 се чини дека биле лезиите на хидантоин, гванидинохидантоин и спироиминодихидантоин кои се дополнителни продукти на оксидација на 8-oxoG. NEIL1 бил исто така способен да отстранува лезии од едноверижна ДНК, како и од меурчиња и чаталести ДНК структури. Недостатокот на NEIL1 предизвикувал зголемена мутагенеза на местото на парот 8-oxo-Gua:C, при што повеќето мутации се G:C до T:A трансверзии.

Студијата во 2004 година покажала дека 46% од примарните карциноми на желудник имале намалена експресија на NEIL1 информациска РНК, иако механизмот на редукција не бил познат. Оваа студија исто така покажала дека 4% од ракот на желудникот имале мутации во генот NEIL1. Авторите сугерирале дека ниската активност на NEIL1 што произлегувала од намалената експресија и/или мутација на генот NEIL1 често била вклучена во гастричната карциногенеза.

Извршен е скрининг на 145 гени за поправка на ДНК за аберантна метилација на промотер на ткивата на сквамозниот карцином на главата и вратот (HNSCC) од 20 пациенти и од примероците на мукозата на главата и вратот од 5 пациенти кои не се канцерогени. Овој екран покажал дека генот NEIL1 има значително зголемена хиперметилација, а од 145 оценети гени за поправка на ДНК, NEIL1 имал најзначајно различна фреквенција на метилација. Понатаму, хиперметилацијата кореспондира со намалување на изразувањето на NEIL1 mRNA. Понатамошната работа со 135 тумори и 38 нормални ткива, исто така, покажала дека 71% од примероците на ткиво на HNSCC имале покачена метилација на промоторот NEIL1.

Кога биле евалуирани 8 гени за поправка на ДНК кај тумори на неситноклеточен карцином на белите дробови (NSCLC), 42% биле хиперметилирани во промотерскиот регион NEIL1. Ова било најчестата абнормалност за поправка на ДНК пронајдена меѓу 8-те тестирани гени за поправка на ДНК. NEIL1 бил, исто така, еден од шесте гени за поправка на ДНК за кои било откриено дека се хиперметилирани во нивните промоторни региони кај колоректалниот карцином.

 Наводи 

Категорија:Поправка на ДНК
Категорија:Белковински домени