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endonucleasa de homing

Estructura cristalina de I-CreI unida a su secuencia de reconocimiento de ADN . La enzima se une como un homodímero; una subunidad se muestra en amarillo y la otra en rosa. La e...

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Estructura cristalina de I-CreI unida a su secuencia de reconocimiento de ADN . La enzima se une como un homodímero; una subunidad se muestra en amarillo y la otra en rosa. La enzima se muestra en representación de superficie; la molécula de ADN se muestra como un conjunto de esferas, cada una coloreada según su elemento químico .

Las endonucleasas de homing son un conjunto de endonucleasas codificadas como genes independientes dentro de intrones , fusionadas con proteínas del huésped o como inteínas de autoescisión . Catalizan la hidrólisis del ADN genómico dentro de las células que las sintetizan, pero lo hacen en muy pocos lugares, o incluso en uno solo. La reparación del ADN hidrolizado por la célula huésped suele resultar en la copia del gen que codifica la endonucleasa de homing en el sitio de corte, de ahí el término "homing" para describir el movimiento de estos genes. De este modo, las endonucleasas de homing pueden transmitir sus genes horizontalmente dentro de una población huésped, aumentando su frecuencia alélica a tasas superiores a las mendelianas.

Origen y mecanismo

Aunque el origen y la función de las endonucleasas de homing todavía se están investigando, la hipótesis más establecida las considera como elementos genéticos egoístas , [ 1 ] similares a los transposones , porque facilitan la perpetuación de los elementos genéticos que las codifican independientemente de proporcionar un atributo funcional al organismo huésped.

Las secuencias de reconocimiento de la endonucleasa de homing son lo suficientemente largas como para ocurrir aleatoriamente solo con una probabilidad muy baja (aproximadamente una vez cada7 × 10 9 pb  ), [ 2 ] y normalmente se encuentran en una o muy pocas instancias por genoma . Generalmente, debido al mecanismo de homing, el gen que codifica la endonucleasa (el HEG, "gen de la endonucleasa de homing") se encuentra dentro de la secuencia de reconocimiento que corta la enzima, interrumpiendo así la secuencia de reconocimiento de la endonucleasa de homing y limitando el corte de ADN solo a sitios que no contienen (todavía) el HEG.

Antes de la transmisión, un alelo porta el gen (HEG + ) mientras que el otro no (HEG− ) , y por lo tanto es susceptible de ser cortado por la enzima. Una vez sintetizada la enzima, rompe el cromosoma en el alelo HEG− , iniciando una respuesta del sistema de reparación del ADN celular . El daño se repara mediante recombinación , tomando el patrón del alelo de ADN opuesto, intacto, HEG + , que contiene el gen de la endonucleasa. De esta manera, el gen se copia al alelo que inicialmente no lo tenía y se propaga a través de generaciones sucesivas. [ 3 ] Este proceso se denomina "homing". [ 3 ]

Nomenclatura

Las endonucleasas homing siempre se indican con un prefijo que identifica su origen genómico, seguido de un guion: "I-" para las endonucleasas homing codificadas dentro de un intrón, "PI-" (de "inserto de proteína") para las codificadas dentro de una inteína. Algunos autores han propuesto usar el prefijo "F-" ("independiente") para las enzimas virales y otras enzimas naturales no codificadas por intrones ni inteínas, [ 4 ] y "H-" ("híbrida") para las enzimas sintetizadas en un laboratorio. [ 5 ] A continuación, se deriva un nombre de tres letras del nombre binomial del organismo, tomando una letra mayúscula del nombre del género y dos letras minúsculas del nombre específico . (Generalmente se hace alguna mezcla para las enzimas híbridas). Finalmente, un número romano distingue las diferentes enzimas que se encuentran en el mismo organismo:

Comparación con enzimas de restricción

Las endonucleasas de homing 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, generalmente simétricas, de 4 a 8 pares de bases , las endonucleasas de homing se unen a secuencias de reconocimiento muy largas y, en muchos casos, asimétricas, que abarcan de 12 a 40 pares de bases.  
  • Las endonucleasas de homing suelen ser 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 de homing, pero a menudo no la eliminan por completo, como suele ocurrir con las enzimas de restricción. [ 10 ] [ 11 ]
  • Las endonucleasas de homing comparten motivos estructurales que sugieren la existencia de cuatro familias, mientras que no ha sido posible determinar familias fácilmente reconocibles y distinguibles de enzimas de restricción de tipo II.
  • Las endonucleasas de homing actúan como monómeros u homodímeros y, a menudo, requieren proteínas asociadas para regular su actividad [ 12 ] o forman 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 de homing. Por lo tanto, pueden requerir subunidades de restricción, modificación y especificidad para su acción [ 15 ] .
  • Finalmente, las endonucleasas de homing tienen una distribución filogenética más amplia , apareciendo en los tres dominios biológicos : arqueas , bacterias y eucariotas . Las enzimas de restricción de tipo II aparecen solo en arqueas, bacterias y ciertos virus. [ 16 ] [ 17 ] [ 18 ] Las endonucleasas de homing 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 de homing en intrones , inteínas y en forma independiente entre genes, mientras que los genes que codifican 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 de homing comparten la función de cortar el ADN de doble cadena, parecen haber evolucionado de forma independiente.

Familias estructurales

Actualmente se conocen seis familias estructurales. Sus motivos estructurales conservados son: [ 4 ]

  • LAGLIDADG: Cada polipéptido posee uno o dos motivos LAGLIDADG. La secuencia LAGLIDADG es una secuencia conservada de aminoácidos donde cada letra es un código que identifica un residuo específico. Esta secuencia participa directamente en el proceso de corte del ADN. Las enzimas que poseen un solo motivo funcionan como homodímeros, creando una estructura que interactúa con el surco mayor de cada hebra de ADN. Los motivos LAGLIDADG aportan residuos de aminoácidos tanto a la interfaz proteína-proteína entre dominios o subunidades proteicas como a los sitios activos de la enzima. Las enzimas que poseen dos motivos en una misma cadena proteica actúan como monómeros, creando la estructura de forma similar. Las primeras estructuras determinadas de endonucleasas de homing (de PI-SceI e I-CreI, ambas reportadas en 1997) pertenecían a la familia estructural LAGLIDADG. [ 20 ] [ 21 ] Al año siguiente, también se reportó la primera estructura de una endonucleasa de homing (I-CreI) unida a su sitio diana de ADN. [ 9 ]
  • GIY-YIG: Estas enzimas poseen un único 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 publicado estudios estructurales independientes de los dominios de unión al ADN y catalíticos 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 . Coordinan el catión metálico necesario para la catálisis. I-PpoI es la enzima mejor caracterizada de esta familia y actúa como un homodímero. Su estructura se describió en 1998. [ 24 ] Es posible que esté relacionada con la familia HNH, ya que comparten características comunes. [ 25 ]
  • HNH: ( Pfam CL0263 ): Estas enzimas tienen una secuencia consenso de aproximadamente 30 aminoácidos. Incluye dos pares de histidinas conservadas y una asparagina que forman un dominio de dedo de zinc . I-HmuI ( P34081 ) es la enzima mejor caracterizada de esta familia y actúa como monómero. Su estructura se publicó en 2004 ( PDB : 1U3E ) . [ 26 ]
  • PD-(D/E)xK ( Pfam CL0236 ): Estas enzimas contienen un dominio catalítico de nucleasa canónico que se encuentra típicamente en las endonucleasas de restricción de tipo II. La enzima mejor caracterizada de esta familia, I-Ssp6803I ( Q57253 ), actúa como un tetrámero. Su estructura se publicó en 2007 ( PDB : 2OST ) . [ 27 ] El plegamiento 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 fueron descubiertas en la base de datos metagenómica de muestreo oceánico global y descritas por primera vez en 2009. El término "Vsr-like" se refiere a la presencia de un dominio nucleasa C-terminal que muestra una homología reconocible con las endonucleasas bacterianas Very short patch repair (Vsr). [ 29 ] La estructura se resolvió en 2011, confirmando la homología con Vsr. [ 30 ] Se considera parte de la superfamilia PD-(D/E)xk. [ 28 ] 

Arquitectura de dominio

La endonucleasa de homing de levadura PI-Sce es una endonucleasa de tipo LAGLIDADG codificada como una inteína que se escinde de otra proteína ( P17255 ). La estructura de alta resolución revela dos dominios : un centro endonucleolítico similar al dominio C-terminal de las proteínas Hedgehog y un dominio Hint (Hedgehog/Inteína) que contiene el sitio activo de empalme de proteínas . [ 31 ]

Véase también

Referencias

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