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分子生物学では、エンドヌクレアーゼはポリヌクレオチド鎖（DNAまたはRNA ）内のホスホジエステル結合を切断する酵素である。デオキシリボヌクレアーゼIなど、DNAを比較的非特異的に（配列に関して）切断するものもあれば、制限エンドヌクレアーゼまたは制限酵素と呼ばれるものも多く、非常に特定のヌクレオチド配列のみを切断する。エンドヌクレアーゼは、認識配列の中央（エンド）部分ではなく末端を切断するエキソヌクレアーゼとは異なる。ただし、「エキソエンドヌクレアーゼ」と呼ばれる酵素の中には、どちらのヌクレアーゼ機能にも限定されず、エンドとエキソの両方の性質を示すものもある。[1]証拠によれば、エンドヌクレアーゼ活性はエキソヌクレアーゼ活性に比べて遅れを生じることが示唆されている。[2]
制限酵素は、特定の DNA 配列を認識する真正細菌および古細菌由来のエンドヌクレアーゼです。 [3]制限酵素によって切断が認識されるヌクレオチド配列は、制限部位と呼ばれます。通常、制限部位は約 4 ～ 6 ヌクレオチドの長さの回文配列です。ほとんどの制限エンドヌクレアーゼは、DNA 鎖を不均一に切断し、相補的な一本鎖末端を残します。これらの末端はハイブリダイゼーションによって再接続できるため、「粘着末端」と呼ばれます。対になると、断片のホスホジエステル結合はDNA リガーゼによって結合できます。数百の制限エンドヌクレアーゼが知られており、それぞれが異なる制限部位を攻撃します。同じエンドヌクレアーゼによって切断された DNA 断片は、DNA の起源に関係なく結合できます。このような DNA は、遺伝子が新しい組み合わせに結合されて形成された DNA、つまり組み換え DNAと呼ばれます。 [4] 制限エンドヌクレアーゼ（制限酵素）は、その作用機序によって、タイプI、タイプII、タイプIIIの3つのカテゴリーに分類されます。これらの酵素は、細菌、植物、動物の細胞に導入するための組み換えDNAを作成する遺伝子工学や、合成生物学でよく使用されます。[5]最も有名なエンドヌクレアーゼの1つはCas9です。
カテゴリー
最終的に、特定の配列の切断に比較的寄与する制限エンドヌクレアーゼには 3 つのカテゴリがあります。タイプ I とタイプ III は、エンドヌクレアーゼとメチラーゼの両方の活性を含む大きなマルチサブユニット複合体です。タイプ I は、認識配列から約 1000 塩基対以上のランダムな部位を切断することができ、エネルギー源として ATP を必要とします。タイプ II はわずかに異なる動作をし、1970 年にハミルトン スミスによって初めて単離されました。これらはエンドヌクレアーゼのより単純なバージョンであり、分解プロセスで ATP を必要としません。タイプ II 制限エンドヌクレアーゼの例には、Bam HI、Eco RI、Eco RV、Hin dIII、Hae III などがあります。ただし、タイプ III は認識配列から約 25 塩基対で DNA を切断し、そのプロセスでも ATP を必要とします。[4]
表記
制限酵素の一般的な表記法[6]は「 Vwx yZ 」の形式で、ここで「 Vwx」はイタリック体で、この制限酵素が存在する属の最初の文字と種の最初の 2 文字を表します。たとえば、大腸菌の場合はEco、インフルエンザ菌の場合はHin です。その後にオプションでイタリック体でない記号「y」が続き、これはタイプまたは株の識別を示します。たとえば、薬剤耐性伝達因子 RTF-1 を持つ大腸菌株の場合はEco R 、 [6]大腸菌株 B の場合はEco B 、[7]インフルエンザ菌株dの場合はHin d です。[6]最後に、特定のタイプまたは株が複数の異なる制限酵素を持つ場合、これらはローマ数字で識別され、したがって、インフルエンザ菌株dの制限酵素は、 Hin dI、Hin dII、Hin dIIIなどと命名されます。別の例：「Hae II」と「Hae III」は、それぞれ細菌ヘモフィルス・アエジプティウス（株は指定されていません）の制限酵素番号IIと番号IIIを指します。[4] ：64–64 分子生物学で使用される制限酵素は通常、約4〜8塩基対の短い標的配列を認識します。たとえば、Eco RI酵素は、5'-GAATTC-3'の配列を認識して切断します。[8]
制限エンドヌクレアーゼにはいくつかの種類があります。制限エンドヌクレアーゼは通常、認識部位と切断パターン（通常はヌクレオチド塩基：A、C、G、T）を必要とします。認識部位が切断パターンの領域外にある場合、制限エンドヌクレアーゼはタイプ I と呼ばれます。認識配列が切断配列と重複している場合、制限エンドヌクレアーゼ制限酵素はタイプ II です。[引用が必要]
エンドヌクレアーゼに関わるプロセス
エンドヌクレアーゼは生物の生命の多くの側面で役割を果たします。以下は、エンドヌクレアーゼが重要な役割を果たすプロセスの例です。
DNA修復
エンドヌクレアーゼは DNA 修復において役割を果たします。具体的には、 AP エンドヌクレアーゼはAP 部位のみで DNA の切断を触媒し、DNA をその後の切除、修復合成、DNA ライゲーションに備えます。たとえば、脱プリン化が起こると、この損傷により塩基が欠落したデオキシリボース糖が残ります。[9] AP エンドヌクレアーゼはこの糖を認識し、基本的にこの部位で DNA を切断し、DNA 修復を継続できるようにします。[10] 大腸菌細胞には 2 つの AP エンドヌクレアーゼ、エンドヌクレアーゼ IV (endoIV) とエキソヌクレアーゼ III (exoIII) が含まれていますが、真核生物には AP エンドヌクレアーゼが 1 つしかありません。[11]
DNA架橋修復
2 本の相補鎖が鎖間共有結合架橋によって結合しているDNA の修復には、鎖を切り離して損傷を除去するために複数の切断が必要です。切断は、架橋の両側と二重鎖 DNA の両方の鎖で必要です。マウス胚性幹細胞では、架橋修復の中間段階で二本鎖切断が発生します。[12] MUS81 / EME1は、DNA 複製依存的に鎖間架橋を二本鎖切断に変換する構造特異的エンドヌクレアーゼです。[12] 二本鎖切断が発生した後、修復プロセスを完了するにはさらに手順が必要です。架橋が適切に修復されないと、DNA 複製がブロックされる可能性があります。[要出典]
チミン二量体の修復
バクテリオファージ（ファージ）T4を紫外線にさらすと、ファージDNAにチミン二量体が誘導される。ファージT4のdenV遺伝子は、紫外線誘導チミン二量体の修復の初期段階を触媒するエンドヌクレアーゼVをコードする。 [13] エンドヌクレアーゼVは、まずピリミジン二量体の5'側のグリコシル結合を切断し、次に二量体の2つのヌクレオチドを元々結合していたDNAホスホジエステル結合の切断を触媒する。修復プロセスのその後の段階には、二量体の残骸の除去と、損傷を受けていない鎖をテンプレートとして使用して生じた一本鎖ギャップを埋めるための修復合成が含まれる。[要出典]
アポトーシス
アポトーシスの過程では、アポトーシスエンドヌクレアーゼDFF40が活性化され、制御された細胞分解が開始されます。この分解は、ゲノムDNAを特定の断片に切断することによって特徴付けられます。この文脈におけるエンドヌクレアーゼの正確な役割は、特定の部位でDNAを切断し、定義された長さの断片を生成することです。これらの断片はその後、アポトーシス小体にパッケージ化され、炎症や近隣の細胞への損傷を引き起こすことなく、死にかけている細胞をきれいかつ効率的に除去します。[14]
DNA複製
フラップエンドヌクレアーゼ1（FEN1）とDna2エンドヌクレアーゼは、ラギング鎖上のDNA複製に不可欠であり、プライマー除去や岡崎断片処理などの重要なプロセスに関与しています。エンドヌクレアーゼは、これらの断片間のホスホジエステル結合を切断することにより、これらの断片の処理に積極的に関与しています。このプロセスは、岡崎断片のシームレスな合成と結合に不可欠であり、新しく複製されたDNA鎖の全体的な連続性に貢献しています。[15] [16]
RNA処理
エンドヌクレアーゼ、より具体的にはエンドリボヌクレアーゼは、遺伝子発現の基本的なステップであるRNA処理において重要な役割を果たします。このプロセスでは、エンドヌクレアーゼによって前駆体RNA分子が正確に切断され、さまざまな細胞機能に不可欠な機能的なRNAが生成されます。エンドヌクレアーゼは、特定の部位で前駆体RNAを選択的に切断し、RNA処理中に機能的なRNAセグメントの境界を定義します。RNA処理の結果、転移RNA（tRNA）やリボソームRNA（rRNA）などの機能的なRNA分子が生成されます。エンドヌクレアーゼはこのプロセスの精度に貢献し、成熟した機能的なRNA種の形成を保証します。
RNase PやtRNase Z （ELAC2）などのエンドヌクレアーゼは、前駆体tRNAを成熟した機能的なtRNAに形作り、タンパク質合成中の正確な翻訳に不可欠です。[17]リボソームの生合成では、DROSHAなどのRNase IIIファミリーのエンドヌクレアーゼが前駆体rRNAの処理に役割を果たし、機能的なリボソームの組み立てに貢献します。[18]
RNase IIIファミリーに属するDICERとDROSHAも、pre-miRNAを機能的なmiRNAに処理する役割を果たします。[19]
爪と毛髪の成熟
エンドヌクレアーゼDNase1L2は、髪や爪の形成中にDNAを除去することにも大きく貢献しています。このプロセスは髪や爪の構造の成熟に不可欠であり、細胞を耐久性のある角質化構造に変換するために重要であり、髪や爪の強度と完全性を保証します。[20]
さらなる議論
制限エンドヌクレアーゼは、標準的な dsDNA (二本鎖 DNA)、ssDNA (一本鎖 DNA)、さらには RNA を切断することもあります。[引用が必要]この議論は dsDNA に限定されていますが、議論は以下のように拡張できます。
- 標準dsDNA
- 非標準DNA
- ホリデージャンクション
- 三本鎖 DNA、四本鎖 DNA ( G-四本鎖)
- DNAとRNAの二本鎖ハイブリッド（一方の鎖はDNA、もう一方の鎖はRNA）[4] ：72–73
- 合成または人工DNA（例えば、A、C、G、T以外の塩基を含むものについては、Eric T. Koolの研究を参照）。合成コドンに関する研究については、S. Bennerの研究を参照。また、ポリペプチド内のアミノ酸セットを拡大してプロテオームまたはプロテオミクスを拡大する方法については、P. Schultzの研究を参照。[4] ：第3章
さらに、特にゲノム内で固有の認識部位を持つ合成または人工の制限エンドヌクレアーゼを構築するための研究が現在進行中です。[要出典]
制限エンドヌクレアーゼまたは制限酵素は、通常、平滑末端または粘着末端の2つの方法で切断します。タイプI制限エンドヌクレアーゼの例。[4] ：64
さらに、セラチア・マルセセンスに見られるような、dsDNA、ssDNA、RNAに作用するDNA/RNA非特異的エンドヌクレアーゼも存在する。 [要出典]
一般的なエンドヌクレアーゼ
以下は一般的な原核生物および真核生物のエンドヌクレアーゼの表です。[21]
突然変異
色素性乾皮症は、欠陥のある紫外線特異的エンドヌクレアーゼによって引き起こされるまれな常染色体劣性疾患です。変異を持つ患者は、日光によって引き起こされたDNA損傷を修復することができません。[26]
鎌状赤血球貧血症は点突然変異によって引き起こされる疾患である。突然変異によって変化した配列は、ヌクレオチド配列を認識する制限酵素MstIIの認識部位を排除する。[27]
tRNAスプライシングエンドヌクレアーゼの変異は橋小脳低形成を引き起こす。橋小脳低形成（PCH）は、tRNAスプライシングエンドヌクレアーゼ複合体の4つの異なるサブユニットのうち3つの変異によって引き起こされる神経変性常染色体劣性疾患のグループである。[28]
参照
参考文献
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