Helikase

Helikas ialah kelas enzim yang dianggap penting kepada semua organisma. Fungsi utama mereka adalah untuk membongkar bahan genetik organisma. Helikas ialah protein motor yang bergerak mengikut arah sepanjang tulang belakang fosfodiester asid nukleik, memisahkan dua untaian asid nukleik terhibrid (oleh itu helik- + -ase), menggunakan tenaga daripada hidrolisis ATP. Terdapat banyak helikase, mewakili kepelbagaian besar proses di mana pemisahan helai mesti dimangkinkan. Kira-kira 1% daripada gen eukariotik kod untuk helikase.

Genom manusia memiliki kod bagi 95 helikase bukan lewah: 64 helikase RNA dan 31 helikase DNA. Banyak proses selular, seperti replikasi DNA, transkripsi, terjemahan, rekombinasi, pembaikan DNA, dan biogenesis ribosom melibatkan pemisahan helai asid nukleik yang memerlukan penggunaan helikase. Beberapa helikase khusus juga terlibat dalam pengesanan asid nukleik virus semasa jangkitan dan memenuhi fungsi imunologi.

Fungsi 
Helikas selalunya digunakan untuk memisahkan untaian heliks berganda DNA atau molekul RNA ganda dua menggunakan tenaga daripada hidrolisis ATP, satu proses yang dicirikan oleh pemecahan ikatan hidrogen antara bes nukleotida diduakan. Iajuga berfungsi untuk mengeluarkan protein berkaitan asid nukleik dan memangkinkan rekombinasi DNA homolog. Proses metabolik RNA seperti translasi, transkripsi, biogenesis ribosom, pemisahan RNA, pengangkutan RNA, penyuntingan RNA, dan degradasi RNA semuanya dibantu oleh helikase. Helikase bergerak secara beransur-ansur di sepanjang satu helai asid nukleik dwihelai dengan arah dan keprosesan khusus bagi setiap enzim tertentu.

Helikas menggunakan struktur yang berbeza dan keadaan pengoligomeran. Di samping itu, helikas seperti DnaB melepaskan DNA sebagai heksamer berbentuk cincin, dengan enzim lain telah terbukti aktif sebagai monomer atau dimer. Kajian telah menunjukkan bahawa helikase mungkin bertindak secara pasif dengan menunggu pelepasan tidak bermangkin berlaku dan kemudian memindahkan antara helai yang disesarkan, atau boleh memainkan peranan aktif dalam memangkinkan pemisahan helai menggunakan tenaga yang dijana dalam hidrolisis ATP. Dalam kes kedua, helikase bertindak setanding dengan motor aktif, melonggarkan dan mentranslokasi sepanjang substratnya sebagai hasil langsung daripada aktiviti ATPasenya. Helikas mungkin memproses lebih cepat secara in vivo berbanding in vitro kerana kehadiran protein aksesori yang membantu dalam ketidakstabilan persimpangan cabang DNA.

Sejarah 
Helikas DNA ditemui di E. coli pada 1976. Helikase ini diterangkan sebagai "enzim penyangga DNA" yang "didapati menyahaslikan dwiuntai DNA dalam tindak balas yang bergantung kepada ATP, tanpa dikesan penguraian". Helikase DNA eukariotik pertama ditemui pada tahun 1978 dalam teratai. Sejak itu, helikas DNA ditemui dan diasingkan dalam bakteria, virus, yis, lalat, dan eukariot berdarjat lebih tinggi. Sehingga kini, sekurang-kurangnya 14 helikase berbeza telah diasingkan daripada organisma bersel tunggal, 6 helikase daripada bakteriofaj, 12 daripada virus, 15 daripada yis, 8 daripada tumbuhan, 11 daripada timus anak lembu, dan kira-kira 25 helikas daripada sel manusia.

Ciri-ciri struktur 
Fungsi biasa helikas menyumbang fakta bahawa ia memaparkan suatu tahap homologi jujukan asid amino; kesemuanya mempunyai motif jujukan yang terletak di bahagian dalam struktur utamanya, terlibat dalam pengikatan ATP, hidrolisis ATP dan translokasi di sepanjang substrat asid nukleik. Bahagian pembolehubah urutan asid amino adalah berkaitan dengan ciri khusus setiap helikase.

Kehadiran motif helikase ini membolehkan aktiviti helikase diduga dikaitkan dengan protein tertentu, tetapi tidak semestinya mengesahkannya sebagai helikase aktif. Walau bagaimanapun, motif yang dipelihara menyokong homologi evolusi di kalangan enzim. Berdasarkan motif helikas ini, beberapa superfamili helikas telah dibezakan.

Superkeluarga 
Helikase dikelaskan dalam 6 kumpulan (superkeluarga) berdasarkan motif jujukan mereka. Helikas yang tidak membentuk struktur gelung tergolong dalam superkeluarga 1 dan 2, dan helikase pembentuk gelung merupakan sebahagian daripada superkeluarga 3 hingga 6. Helikase juga dikelaskan sebagai α atau β bergantung kepada jika ia berfungsi bagi DNA untai tunggal atau berganda; α helikas berfungsi dengan DNA untai tunggal dan helikas β berfungsi dengan DNA dwiuntai. Mereka juga dikelaskan mengikut kekutuban translokasi. Jika translokasi berlaku secara 3'-5', helikase adalah jenis A; sebaliknya ia adalah jenis B.

Semua helikas adalah ahli gelung P, atau keluarga yang mengandungi motif Walker.

Gangguan dan penyakit helikase

Mutasi helikase ATRX 
Gen ATRX mengekodkan helikase yang bergantung kepada ATP, ATRX (juga dikenali sebagai XH2 dan XNP) daripada keluarga subkumpulan SNF2, yang dianggap bertanggungjawab untuk fungsi seperti pembentukan semula kromatin, pengawalan gen dan metilasi DNA. Fungsi ini membantu dalam pencegahan apoptosis (pematian sel), menghasilkan peraturan saiz kortikal, serta sumbangan kepada kemandirian struktur hipokampus dan kortikal, dan menjejaskan ingatan dan pembelajaran. Helikase ini terletak pada kromosom X (Xq13.1-q21.1), dalam heterokromatin perisentromerik dan mengikat di protein heterokromatin 1. Kajian telah menunjukkan bahawa ATRX memainkan peranan dalam metilasi rDNA dan penting untuk perkembangan embrio. Mutasi telah ditemui di seluruh protein ATRX, dengan lebih 90% daripadanya terletak di jari zink dan domain helikase. Mutasi ATRX boleh mengakibatkan perencatan akal alfa-talasemia terkait X (sindrom ATR-X).

Pelbagai jenis mutasi yang ditemui dalam ATRX didapati dikaitkan dengan ATR-X, termasuk mutasi gantian asas tunggal yang paling biasa, serta mutasi senyap, anjakan dan pemadaman. Ciri-ciri ATR-X termasuk: mikrosefali, keabnormalan rangka dan muka, terencat akal, keabnormalan alat kelamin, sawan, penggunaan dan keupayaan bahasa yang terhad, dan talasemia alfa. Fenotip yang dilihat dalam ATR-X menunjukkan bahawa mutasi gen ATRX menyebabkan penurunan regulasi ekspresi gen, seperti gen alphaglobin. Ia masih tidak diketahui apa yang menyebabkan ekspresi pelbagai ciri ATR-X pada pesakit yang berbeza.

Mutasi titik helikase XPD 
XPD (faktor pigmentosum xeroderma D, juga dikenali sebagai protein ERCC2) ialah helikase superkeluarga II 5'-3' bergantung ATP yang mengandungi domain kelompok besi-sulfur. Mutasi titik yang diwarisi dalam helikase XPD telah terbukti dikaitkan dengan gangguan penuaan yang dipercepatkan seperti sindrom Cockayne (CS) dan trikotiodistrofi (TTD). Sindrom Cockayne dan TTD kedua-duanya ialah gangguan perkembangan yang melibatkan kepekaan terhadap cahaya UV dan penuaan pramatang, dan sindrom Cockayne menunjukkan perencatan akal yang teruk sejak lahir. Mutasi helikase XPD juga telah dikaitkan dengan pigmentosum xeroderma (XP), gangguan yang dicirikan oleh kepekaan terhadap cahaya UV dan mengakibatkan peningkatan beberapa ribu kali ganda dalam perkembangan kanser kulit.

XPD ialah komponen penting bagi kompleks TFIIH, transkripsi dan faktor pembaikan dalam sel. Sebagai sebahagian daripada kompleks ini, ia memudahkan pembaikan eksisi nukleotida dengan melepaskan DNA. TFIIH membantu dalam membaiki DNA yang rosak seperti kerosakan bawaan matahari. Mutasi dalam helikase XPD yang membantu membentuk kompleks ini dan menyumbang kepada fungsinya menyebabkan kepekaan terhadap cahaya matahari yang dilihat dalam ketiga-tiga penyakit, serta peningkatan risiko kanser yang dilihat pada XP dan penuaan pramatang yang dilihat dalam TTD dan sindrom Cockayne.

Mutasi helikase XPD yang membawa kepada trikothiodistrofi ditemui di seluruh protein, yakni di pelbagai lokasi yang terlibat dalam interaksi protein-protein. Mutasi ini mengakibatkan protein tidak stabil kerana ketidakupayaannya untuk membentuk interaksi penstabilan dengan protein lain pada titik mutasi. Seterusnya, ini menjejaskan kestabilan keseluruhan kompleks TFIIH, yang membawa kepada kecacatan dengan mekanisme transkripsi dan pembaikan sel.

Telah dicadangkan bahawa mutasi helikas XPD yang membawa kepada sindrom Cockayne boleh disebabkan oleh mutasi dalam XPD, menyebabkan ketegaran protein dan ketidakupayaan seterusnya untuk beralih daripada fungsi pembaikan kepada fungsi transkripsi disebabkan oleh "penguncian" dalam mod pembaikan. Ini boleh menyebabkan helikase memotong segmen DNA yang diingini untuk transkripsi. Walaupun bukti semasa menunjukkan kecacatan pada helicase XPD yang mengakibatkan kehilangan fleksibiliti dalam protein dalam kes sindrom Cockayne, masih tidak jelas bagaimana struktur protein ini membawa kepada gejala yang diterangkan dalam sindrom Cockayne.

Dalam pigmentosa xeroderma, mutasi helikase XPD wujud di tapak pengikatan ATP atau DNA. Ini menghasilkan helikase yang berfungsi secara struktur yang dapat memudahkan transkripsi, namun ia menghalang fungsinya dalam membuka dan membaiki DNA. Kekurangan keupayaan sel untuk membaiki mutasi, seperti kesan sinaran matahari, adalah punca kadar kanser yang tinggi dalam pesakit ini.

Helikase RNA 
Helikas RNA adalah penting bagi kebanyakan proses metabolisme RNA seperti biogenesis ribosom, penyambungan pra-mRNA, dan permulaan translasi. Mereka juga memainkan peranan penting dalam mengesan RNA virus. Helikase RNA terlibat dalam pengantaraan tindak balas imun antivirus kerana mereka boleh mengenal pasti RNA asing dalam vertebrata. Kira-kira 80% daripada semua virus adalah virus RNA dan ia mengandungi helikase RNA mereka sendiri. Helikas RNA yang rosak telah dikaitkan dengan kanser, penyakit berjangkit dan gangguan neurodegeneratif. Beberapa gangguan neurologi yang berkaitan dengan helikas RNA yang rosak ialah: sklerosis lateral amiotrofik, atrofi otot tulang belakang, ataksia spinoserebelum jenis 2, penyakit Alzheimer dan sindrom kontraktur kongenital maut.

Helikas RNA dan helikas DNA boleh ditemui bersama dalam semua superkeluarga helikase kecuali SF6. Semua helikase RNA eukariot yang telah dikenal pasti sehingga kini adalah bukan pembentuk gelung, dan merupakan sebahagian daripada SF1 dan SF2. Sebaliknya, helikas RNA pembentuk gelung telah ditemui dalam bakteria dan virus. Walau bagaimanapun, tidak semua helikase RNA mempamerkan aktiviti helikase seperti yang ditakrifkan oleh fungsi enzimatik, iaitu, protein keluarga Swi/Snf. Walaupun protein ini membawa motif helikase biasa, menghidrolisiskan ATP dalam cara yang bergantung kepada asid nukleik, dan dibina di sekeliling teras helikas, secara amnya, tiada aktiviti pelepasan diperhatikan.

Rujukan 

Replikasi DNA