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ホーミングエンドヌクレアーゼは、イントロン内の独立した遺伝子、宿主タンパク質との融合、または自己スプライシングインテインとしてコード化されたエンドヌクレアーゼの集合体です。これらは、合成細胞内でゲノムDNAの加水分解を触媒しますが、非常に少数、または単一の場所でしか触媒しません。宿主細胞による加水分解された DNA の修復により、ホーミングエンドヌクレアーゼをコード化する遺伝子が切断部位にコピーされることが多く、そのためこれらの遺伝子の動きを表す用語として「ホーミング」が使用されています。そのため、ホーミングエンドヌクレアーゼは、宿主集団内で遺伝子を水平伝播させ、メンデルの法則よりも高い割合で対立遺伝子頻度を増加させることができます。
起源とメカニズム
ホーミングエンドヌクレアーゼの起源と機能はまだ研究中ですが、最も確立された仮説では、ホーミングエンドヌクレアーゼはトランスポゾンと同様に利己的な遺伝要素であると考えられています[1]。これは、ホーミングエンドヌクレアーゼが、宿主生物に機能的属性を提供することとは無関係に、それらをコードする遺伝要素の永続化を促進するためです。
ホーミングエンドヌクレアーゼ認識配列は、非常に低い確率（約1回/週）でのみランダムに発生するほど長い。7 × 10 9 bp）、[2]であり、通常はゲノムあたり1つまたは非常に少数の例で見つかります。一般的に、ホーミングメカニズムにより、エンドヌクレアーゼをコードする遺伝子（HEG、「ホーミングエンドヌクレアーゼ遺伝子」）は、酵素が切断する認識配列内に位置し、これによりホーミングエンドヌクレアーゼ認識配列が中断され、DNA切断が（まだ）HEGを持たない部位に限定されます。
伝達される前、一方の対立遺伝子は遺伝子を持ち (HEG + )、もう一方の対立遺伝子は持たず (HEG − )、そのため酵素によって切断されやすい。酵素が合成されると、HEG −対立遺伝子の染色体が破壊され、細胞のDNA 修復システムの反応が開始される。損傷は組み換えによって修復され、反対側の損傷していない DNA 対立遺伝子 (エンドヌクレアーゼの遺伝子を含む HEG + ) のパターンが採用される。このようにして、遺伝子は当初は遺伝子を持っていなかった対立遺伝子にコピーされ、次の世代に伝播する。[3]このプロセスは「ホーミング」と呼ばれる。[3]
命名法
ホーミングエンドヌクレアーゼは、常にゲノム起源を示す接頭辞とそれに続くハイフンで示されます。イントロン内にコード化されたホーミングエンドヌクレアーゼは「I-」、インテイン内にコード化されたホーミングエンドヌクレアーゼは「PI-」（「タンパク質挿入」の略）です。一部の著者は、イントロンやインテインによってコード化されていないウイルス酵素やその他の天然酵素には接頭辞「F-」（「自立型」）、[4]および実験室で合成された酵素には「H-」（「ハイブリッド」）を使用することを提案しています。[5]次に、生物の二名法名から、属名から大文字 1 文字、種名から小文字 2 文字を取り、 3 文字の名前が付けられます（ハイブリッド酵素の場合は、通常、多少の混合が行われます）。最後に、ローマ数字で同じ生物に含まれる異なる酵素を区別します。
- PI-TliII（P30317 ）は、古細菌Thermococcus litoralisに見られるインテインによってコードされている2番目に同定された酵素である。[6] [7] [8]
- H-DreI（PDB：1MOW ）は、デスルフォロコッカス・モビリスとクラミドモナス・ラインハルティからそれぞれ採取された酵素I-DmoI（P21505）とI-CreI（P05725）から研究室で作成された最初の合成ホーミングエンドヌクレアーゼです。[5] [9]
制限酵素との比較
ホーミングエンドヌクレアーゼは、いくつかの点でII型制限酵素と異なる。 [4]
- タイプ II 制限酵素は、通常4 ～ 8 bpの短い対称的な認識配列に結合しますが、ホーミングエンドヌクレアーゼは、非常に長く、多くの場合 12 ～ 40 bp にわたる非対称な認識配列に結合します。
- ホーミングエンドヌクレアーゼは、一般的に認識配列の置換に対してより寛容である。認識配列の小さな変化は通常、ホーミングエンドヌクレアーゼの活性を低下させるが、制限酵素でよく起こるように完全に無効になることは少ない。[10] [11]
- ホーミングエンドヌクレアーゼは、4 つのファミリーが存在することを示唆する構造モチーフを共有していますが、II 型制限酵素については、簡単に認識および区別できるファミリーを特定することはできませんでした。
- ホーミングエンドヌクレアーゼはモノマーまたはホモダイマーとして作用し、その活性を制御するために関連タンパク質を必要とすることが多い[12] か、RNAが触媒装置の不可欠な構成要素であるリボ核タンパク質複合体を形成する。 [13]タイプII制限酵素は、モノマーまたはホモダイマーとして単独で機能することも、[14]または追加のタンパク質サブユニットとともに機能することもできるが、[15]補助サブユニットはホーミングエンドヌクレアーゼのものと異なる。したがって、それらの作用には制限、修飾、および特異性サブユニットが必要になる可能性がある。[15]
- 最後に、ホーミングエンドヌクレアーゼはより広い系統分布を持ち、3つの生物学的ドメインすべて、つまり古細菌、細菌、および真核生物に存在します。II型制限酵素は、古細菌、細菌、および特定のウイルスにのみ存在します。[16] [17] [18]ホーミングエンドヌクレアーゼは、真核細胞の3つの区画すべて、つまり核、ミトコンドリア、および葉緑体でも発現しています。ホーミングエンドヌクレアーゼをコードするオープンリーディングフレームは、イントロン、インテイン、および遺伝子間の独立した形で発見されていますが、II型制限酵素遺伝子をコードする遺伝子は、独立した形でのみ発見されており、ほとんどの場合、同族のDNA修飾酵素をコードする遺伝子と密接に関連しています。[19]したがって、II型制限酵素とホーミングエンドヌクレアーゼは二本鎖DNAを切断する機能を共有していますが、独立して進化してきたようです。
構造家族
| LAGLIDADGエンドヌクレアーゼ | |||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 識別子 | |||||||||
| シンボル | ラグリダグ_1 | ||||||||
| パム | PF00961 | ||||||||
| ファム一族 | CL0324 | ||||||||
| インタープロ | 著作権 | ||||||||
| キャス | 1af5 | ||||||||
| SCOP2 | 1af5 / スコープ / SUPFAM | ||||||||
| |||||||||
| 関連する Pfam ファミリーについては、氏族のエントリを参照してください。 | |||||||||
| GIY-YIGエンドヌクレアーゼ、触媒 | |||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 識別子 | |||||||||
| シンボル | ギイイグ | ||||||||
| パム | PF01541 | ||||||||
| インタープロ | 著作権 | ||||||||
| プロサイト | PS50164 | ||||||||
| キャス | 1mk0 | ||||||||
| SCOP2 | 1mk0 / スコープ / SUPFAM | ||||||||
| |||||||||
現在、6つの構造ファミリーが知られています。それらの保存された構造モチーフは次のとおりです。[4]
- LAGLIDADG:すべてのポリペプチドには、1 つまたは 2 つの LAGLIDADG モチーフがあります。LAGLIDADG 配列は、各文字が特定の残基を識別するコードであるアミノ酸の保存された配列です。この配列は、DNA 切断プロセスに直接関与しています。モチーフを 1 つだけ持つ酵素はホモ二量体として機能し、各 DNA ハーフサイトの主溝と相互作用するサドルを形成します。LAGLIDADG モチーフは、タンパク質ドメインまたはサブユニット間のタンパク質間インターフェイスと、酵素の活性部位の両方にアミノ酸残基を提供します。単一のタンパク質鎖に 2 つのモチーフを持つ酵素はモノマーとして機能し、同様にサドルを形成します。ホーミングエンドヌクレアーゼ（PI-SceIとI-CreI、ともに1997年に報告）の最初の構造は、LAGLIDADG構造ファミリーからのものでした。[20] [21] 翌年、DNA標的部位に結合したホーミングエンドヌクレアーゼ（I-CreI）の最初の構造も報告されました。[9]
- GIY-YIG:これらは、切断部位のDNAと相互作用するN末端領域に1つのGIY-YIGモチーフのみを持っています。このファミリーの原型酵素は、モノマーとして機能するI-TevIです。I-TevIのDNA結合ドメインと触媒ドメインについては、前者がDNA標的に結合し、後者がDNAの非存在下で結合する構造研究が別々に報告されています。[22] [23]
- His-Cysボックス（Pfam PF05551）：これらの酵素は、5つの保存残基（2つのヒスチジンと3つのシステイン）を含む30アミノ酸の領域を持っています。これらは、触媒に必要な金属カチオンを調整します。I-PpoIはこのファミリーの中で最も特徴的な酵素であり、ホモ二量体として機能します。その構造は1998年に報告されました。[24]共通の特徴を共有しているため、HNHファミリーに関連している可能性があります。[25]
- HNH: ( Pfam CL0263 ): これらは約30アミノ酸のコンセンサス配列を持っています。これには2対の保存されたヒスチジンと1つのアスパラギンが含まれており、ジンクフィンガードメインを形成します。I-HmuI ( P34081 ) はこのファミリーの中で最も特徴的な酵素であり、モノマーとして機能します。その構造は2004年に報告されました ( PDB : 1U3E )。[26]
- PD-(D/E)xK ( Pfam CL0236): これらの酵素は、II型制限エンドヌクレアーゼに典型的に見られる標準的なヌクレアーゼ触媒ドメインを含む。このファミリーで最も特徴づけられている酵素であるI-Ssp6803I ( Q57253 )は、四量体として作用する。その構造は2007年に報告された ( PDB : 2OST )。[27]全体的なフォールドは多くのエンドヌクレアーゼファミリーで保存されており、それらはすべてPD-(D/E)xKスーパーファミリーに属している。[28]
- Vsr-like/EDxHD (DUF559, InterPro : IPR007569 ): これらの酵素は、Global Ocean Sampling Metagenomic Database で発見され、2009 年に初めて記述されました。「Vsr-like」という用語は、細菌の Very short patch repair (Vsr) エンドヌクレアーゼと認識可能な相同性を示す C 末端ヌクレアーゼドメインの存在を指します。[29]構造は 2011 年に解明され、Vsr 相同性が確認されました。[30] PD-(D/E)xk スーパーファミリーの一部であると考えられています。[28]
ドメインアーキテクチャ
| Hom_end関連ヒント | |||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
 pi-sceiミニ前駆体の結晶構造 | |||||||||
| 識別子 | |||||||||
| シンボル | ホームエンドヒント | ||||||||
| パム | PF05203 | ||||||||
| ファム一族 | CL0363 | ||||||||
| インタープロ | 著作権 | ||||||||
| SCOP2 | 1gpp / スコープ / SUPFAM | ||||||||
| |||||||||
| より大きな LAGLIDADG Hom_end ドメインのインテインモチーフ。 | |||||||||
酵母ホーミングエンドヌクレアーゼPI-Sceは、LAGLIDADG型エンドヌクレアーゼであり、別のタンパク質（ P17255）から自身を切り出すインテインとしてコードされている。高解像度の構造は、ヘッジホッグタンパク質のC末端ドメインに似たエンドヌクレアーゼ中心と、タンパク質スプライシング活性部位を含むヒントドメイン（ヘッジホッグ/インテイン）の2つのドメインを明らかにした。[31]
参照
- REBASE は、関連文献へのリンクを含む、 New England Biolabsの包括的な制限酵素データベースです。
- ホーミングエンドヌクレアーゼ切断部位のリスト
- I-CreIホーミングエンドヌクレアーゼ
- メガヌクレアーゼ
- 制限酵素
- イントロンとインテイン
- ゲノム内紛争: ホーミングエンドヌクレアーゼ遺伝子
- トランスポゾン
参考文献
- ^ Edgell DR (2009 年 2 月). 「利己的な DNA: ホーミングエンドヌクレアーゼが居場所を見つける」. Curr Biol . 19 (3): R115–R117. Bibcode :2009CBio...19.R115E. doi : 10.1016/j.cub.2008.12.019 . PMID 19211047. S2CID 2380439.
- ^ Jasin M (1996年6月). 「希少切断エンドヌクレアーゼによる遺伝子操作」. Trends Genet . 12 (6): 224–8. doi : 10.1016/0168-9525(96)10019-6 . PMID 8928227.
- ^ ab Burt A、Koufopanou V (2004 年 12 月)。「ホーミングエンドヌクレアーゼ遺伝子: 利己的要素の興隆と衰退、そして再び興隆」。Curr Opin Genet Dev . 14 (6): 609–15. doi :10.1016/j.gde.2004.09.010. PMID 15531154。
- ^ abc Belfort M、Roberts RJ (1995 年 9 月)。「ホーミングエンドヌクレアーゼ: 秩序を保つ」。Nucleic Acids Res . 25 (17): 3379–88. doi :10.1093/nar/25.17.3379. PMC 146926 . PMID 9254693。
- ^ ab Chevalier BS、Kortemme T、Chadsey MS、Baker D、Monnat RJ、Stoddard BL (2002年10月)。「高度に特異的な人工エンドヌクレアーゼの設計、活性、構造」。Mol . Cell . 10 (4): 895–905. doi : 10.1016/S1097-2765(02)00690-1 . PMID 12419232。
- ^ Hirata R, Ohsumk Y, Nakano A, Kawasaki H, Suzuki K, Anraku Y (1990年4月). 「Saccharomyces cerevisiaeの液胞膜由来のH(+)-転座アデノシン三リン酸酵素の触媒サブユニットをコードする遺伝子VMA1の分子構造」J Biol Chem . 265 (12): 6726–33. doi : 10.1016/S0021-9258(19)39210-5 . PMID 2139027.
- ^ Kane PM、Yamashiro CT、Wolczyk DF、Neff N、Goebl M、Stevens TH (1990 年 11 月)。「タンパク質スプライシングにより酵母 TFP1 遺伝子産物が液胞 H(+)-アデノシン三リン酸酵素の 69 kD サブユニットに変換される」。Science . 250 ( 4981 ): 651–7。Bibcode : 1990Sci ...250..651K。doi :10.1126/science.2146742。PMID 2146742 。
- ^ Perler FB、Comb DG、Jack WE、Moran LS、Qiang B、Kucera RB、Benner J、Slatko BE、Nwankwo DO、Hempstead SK、Carlow CK、Jannasch H (1992 年 6 月)。「古細菌 DNA ポリメラーゼ遺伝子における介在配列」。PNAS。89 ( 12 ) : 5577–81。Bibcode : 1992PNAS ...89.5577P。doi : 10.1073 / pnas.89.12.5577。PMC 49335。PMID 1608969。
- ^ abc Jurica MS、Monnat RJ、Stoddard BL (1998年10月)。「LAGLIDADGホーミングエンドヌクレアーゼI-CreIによるDNA認識と切断」(PDF)。Mol . Cell。2 ( 4 ):469–76。doi : 10.1016 /S1097-2765(00)80146-X。PMID 9809068 。
- ^ Gimble FS、Wang J (1996 年 10 月)。「タンパク質スプライシングによって生成される酵素 PI-SceI エンドヌクレアーゼによる基質認識と誘導 DNA 歪み」。J Mol Biol . 263 (2): 163–80. doi :10.1006/jmbi.1996.0567. PMID 8913299。
- ^ Argast GM、Stephens KM、Emond MJ、Monnat RJ (1998 年 7 月)。「ランダム突然変異誘発と連続的な in vitro エンリッチメントによって決定された I-PpoI および I-CreI ホーミング サイト配列の縮重」。J Mol Biol . 280 (3): 345–53. doi :10.1006/jmbi.1998.1886. PMID 9665841。
- ^ 柴田 孝、中川 健、森島 暢 (1995)。「酵母における多部位特異的エンドヌクレアーゼと相同遺伝子組み換えの開始」。Adv Biophys . 31 :77–91. doi :10.1016/0065-227X(95)99384-2. PMID 7625280。
- ^ Zimmerly S, Guo H, Eskes R, Yang J, Perlman PS, Lambowitz AM (1995 年 11 月). 「グループ II イントロン RNA は、イントロンの移動に関与する DNA エンドヌクレアーゼの触媒成分である」. Cell . 83 (4): 529–38. doi : 10.1016/0092-8674(95)90092-6 . PMID 7585955. S2CID 10456475.
- ^ リン、スチュアート M; ロイド、R スティーブン; ロバーツ、リチャード J (1993 年 12 月)。ヌクレアーゼ。コールド スプリング ハーバー プレス。pp. 35–88。ISBN 978-0-87969-426-5。
- ^ ab リン、スチュアート M; ロイド、R スティーブン; ロバーツ、リチャード J (1993 年 12 月)。ヌクレアーゼ。コールド スプリング ハーバー プレス。pp. 89–109。ISBN 978-0-87969-426-5。
- ^ Roberts RJ、Macelis D (1997年1月)。「REBASE制限酵素およびメチラーゼ」。Nucleic Acids Res . 25 (1): 248–62. doi :10.1093/nar/25.1.248. PMC 146408 . PMID 9016548。
- ^ Lambowitz AM、Belfort M (1993)。 「可動性遺伝要素としてのイントロン」。Annu Rev Biochem。62 : 587–622。doi : 10.1146/annurev.bi.62.070193.003103。PMID 8352597 。
- ^ リン、スチュアート M; ロイド、R スティーブン; ロバーツ、リチャード J (1993 年 12 月)。ヌクレアーゼ。コールド スプリング ハーバー プレス。pp. 111–143。ISBN 978-0-87969-426-5。
- ^ Wilson GG (1988年12月). 「クローン化された制限修飾システム - レビュー」. Gene . 74 (1): 281–9. doi :10.1016/0378-1119(88)90304-6. PMID 3074014.
- ^ Heath, P.; et al. (1997 年 6 月). 「グループ I イントロンでエンコードされたホーミングエンドヌクレアーゼである I-Crel の構造」. Nature Structural Biology . 4 (6): 468–476. doi :10.1038/nsb0697-468. PMID 9187655. S2CID 12261983.
- ^ Duan, X. (1997年5月). 「タンパク質スプライシング活性を持つホーミングエンドヌクレアーゼPI-SceIの結晶構造」. Cell . 89 (4): 555–564. doi : 10.1016/S0092-8674(00)80237-8 . PMID 9160747. S2CID 14156646.
- ^ Van Roey, P.; Fox, KM; et al. (2001 年 7 月). 「イントロンエンドヌクレアーゼ I-TevI の DNA 結合ドメインとその基質の絡み合った構造」. EMBO J. 20 ( 14): 3631–3637. doi :10.1093/emboj/20.14.3631. PMC 125541. PMID 11447104 .
- ^ Van Roey, P.; Kowalski, Joseph C.; et al. (2002 年 7 月). 「GIY-YIG イントロンエンドヌクレアーゼ I-TevI の触媒ドメイン構造と機能に関する仮説」. Nature Structural Biology . 9 (11): 806–811. doi :10.1038/nsb853. PMID 12379841. S2CID 24856337.
- ^ Flick, K.; et al. (1998 年 7 月). 「核イントロンにコードされたホーミングエンドヌクレアーゼ I-PpoI による DNA 結合と切断」. Nature . 394 (6688): 96–101. Bibcode :1998Natur.394...96F. doi :10.1038/27952. PMID 9665136. S2CID 4427957.
- ^ Hafez, M; Hausner, G (2012年8月). 「ホーミングエンドヌクレアーゼ：使命を帯びたDNAハサミ」.ゲノム. 55 (8): 553–69. doi :10.1139/g2012-049. PMID 22891613. S2CID 29183470.
- ^ Shen, BW; et al. (2004年9月). 「HNHホーミングエンドヌクレアーゼI-HmuIによるDNA結合と切断」J. Mol. Biol . 342 (1): 43–56. doi :10.1016/j.jmb.2004.07.032. PMID 15313606. S2CID 15990707.
- ^ Zhao, L.; et al. (2007 年 5 月). 「制限フォールドがダークサイドに転じる: PD-(D/E)-XK モチーフを持つ細菌ホーミングエンドヌクレアーゼ」. EMBO Journal . 26 (9): 2432–2442. doi :10.1038/sj.emboj.7601672. PMC 1864971. PMID 17410205 .
- ^ ab Steczkiewicz, K; Muszewska, A; Knizewski, L; Rychlewski, L; Ginalski, K (2012 年 8 月). 「PD-(D/E)XK ホスホジエステラーゼスーパーファミリーの配列、構造、機能的多様性」. Nucleic Acids Research . 40 (15): 7016–45. doi :10.1093/nar/gks382. PMC 3424549. PMID 22638584.
- ^ Dassa, B.; et al. (2009年3月). 「断片化された遺伝子：新しいスプリットインテインと新しいホーミングエンドヌクレアーゼファミリーを含む新しいゲノム配列」。核酸研究。37 ( 8): 2560–2573。doi : 10.1093 / nar /gkp095。PMC 2677866。PMID 19264795。
- ^ Taylor, GK; Heiter, DF; Pietrokovski, S; Stoddard, BL (2011 年 12 月). 「I-Bth0305I の活性、特異性、構造: 新しいホーミングエンドヌクレアーゼファミリーの代表」. Nucleic Acids Research . 39 (22): 9705–19. doi :10.1093/nar/gkr669. PMC 3239194. PMID 21890897 .
- ^ Moure CM、Gimble FS、 Quiocho FA（2002年10月）。「認識配列に結合したインテインホーミングエンドヌクレアーゼPI-SceIの結晶構造」Nat . Struct. Biol . 9（10）：764–70。doi ：10.1038/nsb840。PMID 12219083。S2CID 40192379。