Articulo de referencia

desoxirribonucleasa

La desoxirribonucleasa ( DNasa , por sus siglas en inglés) se refiere a un grupo de endonucleasas de glicoproteínas , enzimas que catalizan la hidrólisis de los enlaces fosfodié...

La desoxirribonucleasa ( DNasa , por sus siglas en inglés) se refiere a un grupo de endonucleasas de glicoproteínas , enzimas que catalizan la hidrólisis de los enlaces fosfodiéster en la cadena principal del ADN , degradándolo. La función de la enzima DNasa en las células incluye la degradación del ADN extracelular (ADNe) excretado por apoptosis , necrosis y trampas extracelulares de neutrófilos (NET) para ayudar a reducir las respuestas inflamatorias que de otro modo se desencadenarían. Se conoce una amplia variedad de desoxirribonucleasas, que se clasifican en dos familias ( DNasa I o DNasa II ), las cuales difieren en sus especificidades de sustrato , mecanismos químicos y funciones biológicas. Las aplicaciones de laboratorio de la DNasa incluyen la purificación de proteínas extraídas de organismos procariotas . Además, la DNasa se ha utilizado como tratamiento para enfermedades causadas por el ADNe en el plasma sanguíneo. También están surgiendo ensayos de DNasa en el campo de la investigación.

Tipos

Los dos tipos principales de DNasa que se encuentran en los animales se conocen como desoxirribonucleasa I (DNasa I) y desoxirribonucleasa II (DNasa II). Estas dos familias tienen subcategorías en su interior.

DNasa I

El primer conjunto de DNasas es la DNasa I. Esta familia consta de DNasa I, DNasa1L1 , DNasa 1L2 y DNasa1L3 . La DNasa I corta el ADN para formar dos productos de oligonucleótidos con extremos 5'-fosfo y 3'-hidroxi, y es producida principalmente por los órganos del sistema digestivo . La familia de la DNasa I requiere cationes Ca2+ y Mg2+ como activadores y se expresa selectivamente. [ 1 ] En términos de pH, la familia de las DNasas I es activa en un pH normal de alrededor de 6,5 a 8.

DNasa II

El segundo grupo de ADNasas es la ADNasa II. Esta familia consta de la ADNasa II α y la ADNasa II β. Al igual que la ADNasa I, la ADNasa II escinde el ADN para formar dos productos de oligonucleótidos con extremos 5'-hidroxi y 3'-fosfo. Este tipo de ADNasa se expresa más ampliamente en los tejidos debido a su alta expresión en macrófagos, pero su expresión en otros tipos celulares es limitada. A diferencia de la ADNasa I, no necesitan cationes Ca2+ y Mg2+ como activadores. [ 2 ] En términos de pH , la familia de la ADNasa II se expresa en pH ácido. El patrón de escisión de la ADNasa II se altera en presencia de dimetilsulfóxido ( DMSO ), lo que afecta significativamente la estructura del ADN.

Estructura

Aunque tanto la DNasa I como la II son endonucleasas de glicoproteínas, la DNasa I tiene una estructura monomérica tipo sándwich con una cadena lateral de carbohidratos, mientras que la DNasa II tiene una estructura cuaternaria dimérica .

Estructura 3D de la glicoproteína DNasa I PDB: 3DNI

La DNasa I es una glicoproteína con un peso molecular de 30.000 Da y una cadena de carbohidratos de 8-10 residuos unidos a Asn18 (naranja). [ 3 ] Es una proteína 𝛼,𝛽 con dos láminas 𝛽 plegadas de 6 hebras que forman el núcleo de la estructura. [ 4 ] Estas dos láminas centrales corren en paralelo, y todas las demás corren en antiparalelo. Las láminas 𝛽 plegadas se encuentran en el centro de la estructura mientras que las hélices 𝛼 están denotadas por las bobinas en la periferia. La DNasa I contiene cuatro bolsillos de unión de iones y requiere Ca 2+ y Mg 2+ para hidrolizar el ADN de doble hebra. [ 5 ] Dos de los sitios se unen fuertemente a Ca 2+ mientras que los otros dos coordinan Mg 2+ . Se ha publicado poco sobre el número y la ubicación de los sitios de unión de Mg²⁺ , aunque se ha propuesto que el Mg²⁺ se encuentra cerca del bolsillo catalítico y contribuye a la hidrólisis. [ 6 ] Los dos Ca²⁺ se muestran en rojo en la imagen. Se unen a la DNasa I en condiciones de cristalización y son importantes para la integridad estructural de la molécula al estabilizar el bucle superficial Asp198 a Thr204 (cian) y al limitar la región de alta movilidad térmica en el bucle flexible a los residuos Gly97 a Gly102 (amarillo).

Estructura 3D de la glicoproteína DNasa II PDB: 5UNB

La DNasa II contiene una estructura cuaternaria homodimérica capaz de unirse al ADN de doble cadena dentro de una arquitectura de pinza en forma de U. El interior de la pinza en forma de U es mayoritariamente electropositivo, capaz de unirse al ADN con carga negativa. Similar a la DNasa I, la estructura de la DNasa II consiste en una estructura secundaria mixta 𝛼/𝛽 con 9 hélices 𝛼 y 20 láminas 𝛽 plegadas. [ 7 ] Aunque a diferencia de la DNasa I, la DNasa II no requiere iones metálicos divalentes para la catálisis. [ 7 ] La estructura consta del protómero A (cian) y el protómero B (verde). Cada estructura consta de dos motivos catalíticos, que están etiquetados en el protómero B para simplificar: His100 y Lys102 componen el primer motivo (azul) e His279 y Lys281 componen el segundo motivo catalítico (rojo).

Mecanismo de acción de las enzimas DNasa

Mecanismo

Algunas DNasas cortan, o "escinden", solo los residuos en los extremos de las moléculas de ADN. Este tipo de exonucleasa se conoce como exodesoxirribonucleasa . Otras escinden en cualquier punto de la cadena, conocidas como endodesoxirribonucleasas (un subconjunto de las endonucleasas ). [ 8 ] Algunas DNasas son bastante indiscriminadas con respecto a la secuencia de ADN en la que cortan, mientras que otras, incluidas las enzimas de restricción , son muy específicas de secuencia. Otras DNasas escinden solo ADN de doble cadena , otras son específicas para moléculas de cadena simple y otras son activas en ambos.

La acción de la DNasa se produce en tres fases. La fase inicial introduce múltiples cortes en el esqueleto fosfodiéster . La segunda fase produce nucleótidos solubles en ácido. La tercera fase, que es la fase terminal, consiste en la reducción de oligonucleótidos, lo que provoca un desplazamiento hipercromático en los datos UV. [ 9 ]

Mecanismo de la DNasa I

La DNasa I actúa principalmente sobre el ADN de doble cadena y, en menor medida, sobre el ADN de cadena simple para su escisión. La DNasa I cataliza la escisión inespecífica del ADN mediante la ruptura de los enlaces fosfodiéster en una de las cadenas. Su sitio de escisión se encuentra entre el átomo de oxígeno 3' y el átomo de fósforo adyacente, generando oligonucleótidos 3'-hidroxilo y 5'-fosforilo con inversión de la configuración en el fósforo. La enzima DNasa depende de la presencia de un catión divalente , generalmente Ca²⁺ , para su correcto funcionamiento. El sitio activo de la DNasa I incluye dos residuos de histidina (His134 e His252) y dos residuos ácidos ( Glu 78 y Asp 212), todos ellos cruciales para la catálisis ácido-base general de los enlaces fosfodiéster. [ 10 ]

Mecanismo de la DNasa II

La desoxirribonucleasa II (DNasa II) también se conoce como desoxirribonucleasa ácida porque tiene una actividad óptima en el entorno de pH bajo de los lisosomas, donde se encuentra típicamente en eucariotas superiores. Algunas formas de DNasa II recombinante muestran un alto nivel de actividad a pH bajo en ausencia de iones metálicos divalentes, similar a la DNasa II eucariota. [ 7 ] A diferencia de la DNasa I, la DNasa II escinde el enlace fosfodiéster entre el átomo de oxígeno 5' y el átomo de fósforo adyacente, produciendo nucleótidos 3'-fosforilados y 5'-hidroxilados.

Aplicaciones

Aplicaciones de laboratorio

La DNasa se usa comúnmente para purificar proteínas extraídas de organismos procariotas . La extracción de proteínas suele implicar la degradación de la membrana celular . Es frecuente que la membrana celular degradada y frágil se lise , liberando ADN no deseado y las proteínas deseadas. El extracto resultante de ADN y proteínas es muy viscoso y difícil de purificar, por lo que se añade DNasa para descomponerlo. [ 11 ] El ADN se hidroliza , pero las proteínas no se ven afectadas y el extracto puede someterse a una purificación adicional.

Medicamento

El ADN extracelular (ADNe) es el ADN que se encuentra en la circulación sanguínea. Aparece como resultado de la apoptosis , la necrosis o la formación de trampas extracelulares de neutrófilos (NET) en células sanguíneas y tisulares, pero también puede surgir de la secreción activa de células vivas. El ADNe y sus proteínas de unión al ADN específicas pueden activar receptores de detección de ADN, los receptores de reconocimiento de patrones (PRR). Los PRR pueden estimular vías que provocan una respuesta inmunitaria inflamatoria. Como resultado, varios estudios sobre enfermedades inflamatorias han encontrado altas concentraciones de ADNe en el plasma sanguíneo. Por esta razón, la DNasa ha demostrado ser un posible tratamiento para la reducción del ADNe en el plasma sanguíneo. Las DNasas pueden excretarse tanto intracelular como extracelularmente y pueden escindir el enlace fosfodiéster del ADN . Esta función puede utilizarse para mantener una baja concentración de ADNe, tratando así la inflamación. Las enfermedades que resultan de residuos de ADN en la sangre se han abordado utilizando las propiedades de degradación de la DNasa. Los estudios han demostrado que la DNasa puede actuar como tratamiento al disminuir la viscosidad del moco. [ 12 ] [ 13 ] La administración de DNasa varía según la enfermedad. Puede administrarse y se ha administrado por vía oral , intrapleural, intravenosa , intraperitoneal y por inhalación . [ 14 ] Varios estudios continúan examinando la aplicación de la DNasa como tratamiento, así como formas de monitorizar la salud. Por ejemplo, recientemente, la DNasa derivada de bacterias patógenas se ha utilizado como indicador para la monitorización de infecciones de heridas. [ 15 ]

Enfermedades respiratorias

La fibrosis quística es un trastorno genético que afecta la producción de moco, sudor y fluidos digestivos, provocando que se vuelvan más viscosos en lugar de lubricantes . Las enzimas DNasa pueden inhalarse mediante unnebulizador . Estas enzimas son útiles porque los glóbulos blancos se acumulan en el moco y, al descomponerse, liberan ADN, lo que aumenta su viscosidad. Las enzimas DNasa descomponen el ADN, facilitando la eliminación del moco de los pulmones. En concreto, la DNasa I, también conocida como Pulmozyme (o dornasa alfa), un fármaco aprobado por la FDA, se utiliza como tratamiento para mejorar la función pulmonar.

También se ha descubierto que otras enfermedades respiratorias como el asma , [ 16 ] el empiema pleural , [ 12 ] y la enfermedad pulmonar obstructiva crónica se ven afectadas positivamente por las propiedades de las DNasas.

Además, estudios recientes muestran que el activador tisular del plasminógeno (tPA) intrapleural, una proteína responsable de la descomposición de los coágulos sanguíneos, combinado con la desoxirribonucleasa, aumenta el drenaje pleural, disminuye la duración de la estancia hospitalaria y reduce la necesidad de cirugía en derrames parapneumónicos y empiema .

Otras enfermedades

La sepsis es una enfermedad inflamatoria potencialmente mortalcausada por la respuesta extrema del organismo a una infección. El cuerpo comienza a atacarse a sí mismo a medida que la respuesta inflamatoria se extiende por todo el organismo. Como resultado, se han asociado altos niveles de ADN extracelular (eDNA) con el torrente sanguíneo y, por lo tanto, los investigadores han considerado la DNasa como un tratamiento adecuado. Los estudios han demostrado que la DNasa fue eficaz para interrumpir las NET y disminuir las respuestas inflamatorias. Se necesita más investigación sobre el tipo y el momento de administración para establecer la DNasa como un tratamiento oficial. [ 17 ] [ 18 ] [ 19 ]

El lupus eritematoso sistémico (LES) es una enfermedad autoinmune que produce autoanticuerpos, causando inflamación y, en consecuencia, daño a órganos, articulaciones y riñones. El LES se ha relacionado con bajos niveles de DNasa I, ya que las células apoptóticas se convierten en autoantígenos en esta enfermedad. Se ha investigado la DNasa I como posible tratamiento para disminuir la cantidad de restos apoptóticos en el organismo. Se ha sugerido que esta dificultad podría deberse a la incapacidad de la enzima para degradar la membrana celular de la cromatina . Los estudios han mostrado resultados contradictorios sobre este tratamiento; sin embargo, se están realizando más investigaciones para examinar los beneficios terapéuticos de la DNasa I. [ 14 ] [ 18 ] [ 20 ]

Tratamiento antitumoral. Se sabe que la DNasa posee efectos antitumorales debido a su capacidad para degradar el ADN. Se han encontrado altos niveles de ADN en la sangre de pacientes con cáncer, lo que sugiere que la DNasa I podría ser un posible tratamiento. Aún se desconoce por qué existen niveles tan altos de ADN extracelular y si la DNasa será un tratamiento eficaz. Varios estudios en ratones han mostrado resultados positivos en la inhibición de la progresión tumoral mediante la administración intravenosa de DNasa I. Sin embargo, se necesitan más investigaciones antes de su introducción al público. [ 21 ] [ 14 ]

ensayos

El ADN absorbe luz ultravioleta (UV) con una longitud de onda de máxima absorbancia cercana a los 260  nm. Esta absorción se debe a los electrones pi de las bases aromáticas del ADN. En el ADN bicatenario (dsDNA), e incluso en regiones de ARN donde se presenta una estructura de doble cadena, las bases se apilan paralelamente entre sí, y la superposición de los orbitales moleculares de las bases produce una disminución en la absorbancia de la luz UV. Este fenómeno se denomina efecto hipocrómico . Cuando la DNasa libera nucleótidos del dsDNA, las bases ya no se apilan como en el dsDNA, por lo que la superposición de orbitales se minimiza y la absorbancia UV aumenta. Este aumento en la absorbancia constituye la base de la unidad de Kunitz de la actividad de la DNasa. Una unidad Kunitz se define como la cantidad de enzima añadida a 1  mg/ml de ADN de esperma de salmón que provoca un aumento de la absorbancia de 0,001 por minuto a una longitud de onda de 260  nm cuando actúa sobre ADN altamente polimerizado  a 25 °C en un tampón de NaOAc 0,1 M (pH 5,0). El nombre de la unidad reconoce al bioquímico ruso-estadounidense Moses Kunitz , quien propuso la prueba estándar en 1946. [ 22 ]

Se debe realizar una preparación enzimática estándar en paralelo con una muestra desconocida, ya que no es posible estandarizar las preparaciones de ADN ni su grado de polimerización en solución.

Difusión Radial Simple de Enzimas (SRED) Este método sencillo para la medición de la actividad de la DNasa I fue introducido por Nadano et al. y se basa en la digestión del ADN en el gel de agarosa por la DNasa, que está presente en las muestras perforadas en el gel. [ 14 ] La actividad de la DNasa se representa por el tamaño de un pozo circular dispensado en una capa de gel de agarosa, en el que el ADN teñido con bromuro de etidio se distribuye uniformemente. Después de la incubación, se forma una zona oscura circular a medida que la enzima se difunde radialmente desde el pozo hacia el gel y corta el ADN. El SRED sufrió muchas modificaciones, lo que llevó a un aumento en la sensibilidad y la seguridad, como el reemplazo del bromuro de etidio por SYBR Green I u otros colorantes para geles de ADN. [ 23 ]

Ensayo colorimétrico de actividad de la DNasa I

Se desarrolló un ensayo cinético colorimétrico de actividad de la DNasa I para evaluar la estabilidad de la DNasa I recombinante humana (Pulmozyme). El método se adaptó a partir de un ensayo colorimétrico de actividad enzimática de punto final basado en la degradación de un complejo ADN/verde de metilo. [ 24 ]

Factor de virulencia

Las desoxirribonucleasas extracelulares actúan como factores de virulencia para patógenos, incluidos Plasmodium [ 25 ] y varias especies de Streptococcus , [ 26 ] [ 27 ] ya que permiten a los patógenos defenderse contra las trampas extracelulares de neutrófilos que consisten principalmente en ADN extracelular unido a histonas . [ 28 ] [ 29 ]

Véase también

Referencias

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