научная статья по теме ЭУКАРИОТИЧЕСКИЕ ГОМОЛОГИ ЭНДОНУКЛЕАЗЫ VIII: НОВЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ СИСТЕМЫ ЭКСЦИЗИОННОЙ РЕПАРАЦИИ ОСНОВАНИЙ ДНК (ОБЗОР) Химия

Текст научной статьи на тему «ЭУКАРИОТИЧЕСКИЕ ГОМОЛОГИ ЭНДОНУКЛЕАЗЫ VIII: НОВЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ СИСТЕМЫ ЭКСЦИЗИОННОЙ РЕПАРАЦИИ ОСНОВАНИЙ ДНК (ОБЗОР)»

УДК 577.151.45

ЭУКАРИОТИЧЕСКИЕ ГОМОЛОГИ ЭНДОНУКЛЕАЗЫ VIII: НОВЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ СИСТЕМЫ ЭКСЦИЗИОННОЙ РЕПАРАЦИИ ОСНОВАНИЙ ДНК

Обзор

© 2011 г. И.Р. Грин, Д.О. Жарков*

Институт химической биологии и фундаментальной медицины СО РАН, 630090 Новосибирск, просп. Академика Лаврентьева, 8; факс: (383)363-5153, электронная почта: dzharkov@niboch.nsc.ru

Поступила в редакцию 09.08.10 После доработки 29.09.10

Процесс эксцизионной репарации оснований ДНК необходим для удаления поврежденных азотистых оснований из геномной ДНК и замены их нормальными звеньями ДНК. Эксцизионная репарация оснований инициируется ферментами ДНК-гликозилазами, которые расщепляют #-гликозидную связь поврежденных дезоксинуклеотидов. До недавнего времени у человека было известно только восемь ДНК-гликозилаз с разной субстратной специфичностью. В 2002 г. были открыты три новые ДНК-гликозилазы человека (NEIL1, NEIL2 и NEIL3), гомологичные эндонуклеазе VIII — бактериальному белку, также принимающему участие в репарации ДНК. Роль этих ферментов остается во многом неисследованной. Рассмотрены накопленные за последние годы данные о субстратной специфичности ферментов NEIL, механизме их действия, структуре, взаимодействиях с другими компонентами системы репарации и биологической роли в предотвращении патологий, связанных с повреждением ДНК.

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: окислительный стресс, репарация ДНК, ДНК-гликозилазы, белки NEIL.

Репарация ДНК относится к числу важнейших клеточных процессов. Химическая нестабильность нуклеиновых кислот, ошибки ДНК-полимераз в ходе репликации и действие множества повреждающих агентов экзогенного и эндогенного происхождения служат причинами постоянно протекающего в любой живой клетке процесса повреждения ДНК. Большинство повреждений в ДНК — одноцепочечные разрывы, апурин-апиримидиновые (АП) сайты и модифицированные основания — исправляется с помощью системы эксцизионной репарации оснований (ЭРО), многостадийного процесса с участием нескольких последовательно действующих ферментов (схема 1). В самом общем виде ЭРО

Принятые сокращения: dRP — 2'-дезоксирибо-5'-фосфат, FapyAde — 4,6-диамино-5-формамидопиримидин, FapyGua — 2,6-диамино-4-оксо-5-формамидопиримидин, Gh — гуанидиногидантоин, 5-OH-Ura — 5-гидроксиура-цил, 8-oxoAde — 8-оксоаденин, 8-oxoGua — 8-оксогуанин, Sp — спироиминодигидантоин, ThyGly — тимингликоль, АП — апурин-апиримидиновый, ЭРО — эксцизионная репарация оснований, Nth — эндонуклеаза III, Fpg — форма-мидопиримидин-ДНК-гликозилаза, Nei — эндонуклеаза VIII. * Адресат для корреспонденции.

включает в себя пять стадий (схема 1). На стадии процессинга 5'-конца ЭРО может проходить по короткозаплаточному пути с удалением нависающего 2'-дезоксирибо-5'-фосфатного (ёЯР-) фрагмента за счет ёЯР-лиазной активности ДНК-полимеразы в (схема 1, IV) либо по длин-нозаплаточному пути с синтезом цепи ДНК-по-лимеразой 8 с вытеснением и дальнейшей деградацией цепи ДНК с З'-стороны от повреждения.

На стадии инициации ЭРО (схема 1, I) происходит гидролиз ^-гликозидной связи между сахарофосфатным остовом и поврежденным основанием, катализируемый специализированными ферментами — ДНК-гликозилазами [1—3]. Всего известно ~20 ДНК-гликозилаз, которые обладают разной субстратной специфичностью по отношению к поврежденным азотистым основаниям (окисленные, алкилированные и т.д.) и могут различаться по механизму действия (монофункциональные, удаляющие только поврежденное основание, и бифункциональные, удаляющие поврежденное основание и вносящие разрыв в цепь ДНК по механизму в-элиминирования). В последние годы разработана структурная классификация ДНК-гликози-

99

7*

лаз на основании консервативных последовательностей в их первичной структуре или мотивов в третичной структуре [2].

В повреждение ДНК значительный вклад вносят процессы ее окисления [4]. ДНК-Глико-зилазы, принимающие участие в репарации окисленных оснований, относят к двум главным структурным суперсемействам. ДНК-Гликози-лазы суперсемейства эндонуклеазы III (endonu-clease three (Nth)) характеризуются наличием в пространственной структуре характерных доменов — «бочонка» из шести а-спиралей и домена из четырех а-спиралей, ДНК-связывающего мотива спираль—шпилька—спираль и петли, содержащей остатки Gly, Pro и каталитический остаток Asp [2, 5]. ДНК-Гликозилазы суперсемейства формамидопиримидин-ДНК-гликозилазы/ эндонуклеазы VIII (formamidopyrimidine-DNA

glycosylase/endonuclease eight (Fpg/Nei)) выделяются на основе характерной структуры, включающей в себя .N-концевой и С-концевой домены, связанные гибким линкером. Основу ^-конце-вого домена составляет двухслойный в-сэндвич, состоящий из восьми антипараллельных складок. К одной грани этого в-сэндвича примыкает PE-спираль — а-спираль, несущая на ^-кон-це каталитические остатки Pro1 и Glu2 (у всех белков суперсемейства Fpg/Nei инициирующий остаток Met удаляется при созревании полипептида, и нумерация аминокислот начинается со следующего за ним остатка Pro). С-Концевой домен содержит характерный для всего суперсемейства ДНК-связывающий мотив спираль—два поворота—спираль, а также во многих случаях — цинковый палец типа Cys4, состоящий из двух антипараллельных в-складок.

Схема 1. Стадии процесса короткозаплаточной ЭРО у высших эукариот. I — Поврежденное основание может быть удалено монофункциональной ДНК-гликозилазой (mono), бифункциональной ДНК-гликозилазой, катализирующей 0-эли-минирование (bi (в)), либо бифункциональной ДНК-гликозилазой, катализирующей PS-элиминирование (bi (в 8)); II — процессинг З'-конца; III — замещение поврежденного нуклеотида; IV — процессинг 5'-конца; V — лигирование

Несмотря на полное отсутствие сходства первичной и третичной структур ферментов из суперсемейств Fpg/Nei и Nth, их субстратная специфичность может перекрываться. Например, фермент OGG1 человека (oxoguanine-DNA gly-cosylase 1) из суперсемейства Nth и фермент Fpg Escherichia coli из суперсемейства Epg/Nei удаляют из ДНК один и тот же набор окисленных пу-риновых оснований, а субстратами для ферментов Nth и Nei служат практически одни и те же окисленные пиримидиновые основания [2, 5, 6].

Как показывают пространственные структуры комплексов поврежденной ДНК с ДНК-гли-козилазами, для получения доступа к поврежденному основанию все ДНК-гликозилазы используют общий механизм — излом ДНК и ин-теркаляцию в двойную спираль гидрофобного аминокислотного остатка, выталкивающего основание в активный центр фермента, где происходит нуклеофильная атака по атому C1' молекулой воды или аминогруппой фермента. Однако наборы контактов, образуемых одним и тем же поврежденным основанием в активном центре, могут значительно отличаться для разных ферментов.

ОБЩИЕ СВОЙСТВА БЕЛКОВ NEIL

Достаточно долгое время считалось, что за репарацию окисленных оснований в ДНК эука-риот отвечают два фермента суперсемейства Nth: окисленные пиримидины служат субстратами для ДНК-гликозилазы NTHL1 (endonucle-ase three-like protein 1), а окисленные пурины — для ДНК-гликозилазы OGG1 [7]. Однако недавно в ядерных и митохондриальных экстрактах печени и легких мышей NTHL1были обнаружены остаточные активности, удаляющие из ДНК остатки тимингликоля (ThyGly) или мочевины [8]. Основываясь на последовательности белков Fpg и Nei бактерий, несколько групп исследователей независимо одна от другой обнаружили в геноме человека и мыши три гена, ко-

дирующих ДНК-гликозилазы, принадлежащие к суперсемейству Fpg/Nei и по первичной структуре более близкие к белку Nei [9—14]. Эти белки получили название NEIL1, NEIL2 и NEIL3 (таблица).

Хотя общая гомология последовательности между эукариотическими белками NEIL и бактериальными представителями суперсемейства Fpg/Nei не очень высока, все три белка NEIL содержат пять характерных для этого суперсемейства участков, расположенных в обоих доменах (схема 2). Первый такой участок у NEIL1 и NEIL2 включает в себя N-концевой остаток Pro1, а-аминогруппа которого выступает в качестве нуклеофила в ДНК-гликозилазной реакции и образует основание Шиффа с атомом C1' [15, 16]. У белка NEIL3 вместо остатка Pro1 расположен остаток Val, первичный амин которого выполняет ту же каталитическую функцию [17]. Необходимый для ДНК-гликозилазной активности остаток Glu2 [18, 19] также сохраняется во всех трех последовательностях белков NEIL. Сайтнаправленный мутагенез Pro1 и Glu2 инакти-вирует ферменты NEIL1 и NEIL2, что подтверждает важность этих остатков для катализа [12].

Второй и третий консервативные участки расположены в коротких петлях, соединяющих ß-складки N-концевого домена. Во втором консервативном участке (петля ß2/ß3 на схеме 2) все три белка NEIL содержат остаток Lys. Соответствующие ему остатки Lys52 в белке Nei E. coli и Lys56 в белке Fpg E. coli принимают участие в координации 5'-фосфатной группы поврежденного дезоксинуклеотида [6]. Третий консервативный блок содержит аминокислотные остатки, которые интеркалируют в спираль ДНК, занимают место, оставшееся после выворачивания из нее поврежденного основания, и взаимодействуют с основанием напротив поврежденного [6]. В белке Nei E. coli все эти остатки (Gln69, Leu70 и Tyr71) расположены в петле ß4/ß5. В белке Fpg E. coli набор остатков, выполняющих те же функции, разделен между петлями ß4/ß5 (Met73) и ß7/ß8 (Arg108 и Phe110). В

Характеристики генов и белков NEIL человека

Ген Размер гена, нуклеотидов Число экзонов Кодирующая область, нуклеотидов Хромосомное расположение Размер белка, кДа

NEIL1 8258 9 1173 15q24.2 43,6

NEIL2 17 683 4 999 8p23.1 36,7

NEIL3 53 102 9 1818 4q34.3 67,7

NEiLi [;

NEIL2 Щ NEIL3 Ш

Fpg EL

331

268 Т

_i 11,инковый палец

262 типа Ran BP

LW\444\SSS4\SSSN41

604

D

Г

Участок, гомологичный цинковым пальцам топоизомеразы Ша

01

[12

NEIL1 NE IL 2 NEIL3 Me i Fpg

NEILI NE IL 2 NEIL3 Nei Fpg

P EGP ELHLASQ FVNEAC R.......................ALVFGGCVEKSSVSRNPEVPFESSAYRISASA- EO

P EGP LVR KFHHL VS F FVG.......................QQ.....WKTGGS S - - KKLQ PA SLQ SLWLQD - 43

VEG P GC T LNGE КIR ARVL F GQ А V T G VR G S A L R S P Q G RA L R L AAST WVS PQAAALNND S S QNVL SL FNG YV Y SG 74

FEGPEIRRAADNLEAAIK--.............

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком