Эта статья входит в число добротных статей

RecBCD

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Дезоксирибонуклеаза V
Кристаллографическая структура фермента RecBCD. Субъединицы фермента, RecB, RecC и RecD, окрашены в голубой, зеленый и пурпурный цвет соответственно, а частично расплетенная спираль ДНК - в коричневый.
Кристаллографическая структура фермента RecBCD. Субъединицы фермента, RecB, RecC и RecD, окрашены в голубой, зеленый и пурпурный цвет соответственно, а частично расплетенная спираль ДНК - в коричневый.
Идентификаторы
Шифр КФ 3.1.11.5
Номер CAS 37350-26-8
Базы ферментов
IntEnz IntEnz view
BRENDA BRENDA entry
ExPASy NiceZyme view
MetaCyc metabolic pathway
KEGG KEGG entry
PRIAM profile
PDB structures RCSB PDB PDBe PDBj PDBsum
Поиск
PMC статьи
PubMed статьи
NCBI NCBI proteins
CAS 37350-26-8

RecBCD (экзонуклеаза V, RecBC-дезоксирибонуклеаза) — фермент бактерии Escherichia coli, инициирующий процесс гомологичной рекомбинации при репарации двух- и одноцепочечных повреждений[en] молекулы ДНК, возникающих в результате ионизирующего излучения, ошибок в процессе репликации, ошибок в работе эндонуклеаз или в результате окислительного стресса[1][2]. RecBCD — это одновременно и хеликаза, раскручивающая двойную спираль[en] ДНК, и нуклеаза, которая её разрезает[3].

RecBCD используется в методе одномолекулярного FRET[en], который используется для изучения взаимодействия белков с ДНК[4].

Структура[править | править код]

RecBCD представляет собой белковый комплекс, состоящий из трёх разных субъединиц: RecB, RecC и RecD. До обнаружения гена RecD[5] комплекс был известен как RecBC. Каждая субъединица кодируется отдельным геном:

Ген Цепь Белок Функция
RecB β Uniprot: RecB (P08394). 3'→5' хеликаза, нуклеаза
RecC γ Uniprot: RecC (P07648). распознает Chi-сайт[en] (точку рекомбинации)
RecD α Uniprot: RecD (P04993). 5'→3' хеликаза

Функции[править | править код]

АТФ-зависимый путь гомологической рекомбинации с участием RecBCD

RecD и RecC — хеликазы, то есть работающие за счёт энергии АТФ молекулярные комплексы, расплетающие ДНК, или, в некоторых случаях, РНК, при этом RecB выполняет ещё и функцию нуклеазы[6]. RecC, третья субъединица RecBCD-комплекса, распознает определенную последовательность в ДНК, а именно 5'-GCTGGTGG-3', известную как Chi-сайт, по которой происходит разрезание ДНК на этапе завершения рекомбинации. RecBCD необычен тем, что обе его хеликазы движутся вдоль цепи с разной скоростью[7], а также тем, что распознаёт конкретную последовательность ДНК (Chi-сайт)[8][9]. RecBCD связывается с концом двухцепочечной ДНК и начинает расплетать её, при этом RecD движется от 5'-конца к 3'-концу, а RecB наоборот. В ходе движения за RecBCD остаются две расплетённые цепи ДНК, которые образуют петлю, а так как RecB движется медленнее, чем RecD, петля последнего растет быстрее; образовавшуюся структуру в виде RecBCD-комплекса, движущегося вдоль цепи с двумя петлями позади себя иногда, по причине внешнего сходства, называют «кроличьи уши»[10].

Механизм действия[править | править код]

Начало RecBCD-опосредованной гомологичной рекомбинации при избытке магния

Во время раскручивания ДНК нуклеазная субъединица RecB может действовать по-разному, в зависимости от условий реакции, в частности, в зависимости от концентрации ионов Mg2+ и АТФ. Если АТФ в избытке, фермент просто делает надрез на цепи, содержащей Chi-сайт[11]. Раскручивание цепи продолжается и образуется 3'-хвост с Chi-сайтом, на который может садиться белок RecA[en], способствующий внедрению этого хвоста в хромосому, которая будет матрицей для восстановления повреждённой цепи, и обмена с ней цепями[12]. Опознающая Chi-сайт субъединица комплекса RecBCD не взаимодействует с другими последовательностями, и фермент вскоре распадается на субъединицы, оставаясь неактивным в течение часа или более[13]. Если в избытке находятся ионы Mg2+, RecBCD, как эндонуклеаза, расщепляет обе нити ДНК, хотя 5'-конец расщепляется реже[14]. Когда RecBCD встречает Chi-сайт, раскручивание останавливается и разрушение 3'-цепи замедляется[15]. Продолжая расплетать ДНК, RecBCD сразу же разрезает противоположную цепь (то есть 5'-конец)[16][17] и загружает белок RecA на 3’-конец. После завершения этого процесса на одной молекуле ДНК фермент повторяет его снова, быстро переходя на новую молекулу[12].

Хотя реакции не были проверены с помощью анализа ДНК в самих клетках ввиду их скоротечности, генетические данные показывают, что первая реакция более всего подобна тому, что происходит в клетке[1]. Например, мутантный RecBCD, лишённый определяемой экспериментально экзонуклеазной активности, сохраняет высокую способность к разрезанию Chi-сайта во внеклеточных условиях[18]. Chi-сайт на одной молекуле ДНК в клетках подавляет активность Chi-сайта на другой, что, возможно, отражает Chi-зависимую разборку RecBCD, которая наблюдается in vitro в условиях избытка АТФ и при наличии разрыва в ДНК в области Chi-сайта[19][20].

При обоих условиях реакции 3'-конец остается интактным после Chi-сайта, рядом с которым идет активная загрузка белка RecA на цепь ДНК. В какой-то неопределённый момент RecBCD распадается, хотя может расплести по крайней мере 60 тысяч пар оснований ДНК, оставаясь целым. RecA инициирует обмен нитями ДНК с идентичной или почти идентичной молекулой-матрицей; этот обмен создает структуру, известную как D-петля[en]. Образовавшаяся структура из двух ДНК-дуплексов с перекрещенными нитями может быть разрешена двумя способами: либо внедренная в матричную молекулу 3'-нить с Chi-сайтом послужит праймером для начала синтеза ДНК, либо произойдет расщепление D-петли с образованием структуры Холлидея. В свою очередь, структура Холлидея разрешается комплексом RuvABC[en] или посредством белка RecG. Каждое из этих событий ведет к появлению целой ДНК, которая отличается от родительских новыми комбинациями генов. Этот процесс, известный как гомологичная рекомбинация, завершает репарацию двухцепочечного разрыва[12].

Примечания[править | править код]

  1. 1 2 Smith G. R. How RecBCD enzyme and Chi promote DNA break repair and recombination: a molecular biologist's view. (англ.) // Microbiology and molecular biology reviews : MMBR. — 2012. — Vol. 76, no. 2. — P. 217—228. — doi:10.1128/MMBR.05026-11. — PMID 22688812. [исправить]
  2. Spies M., Kowalczykowski S. C. Homologous recombination by RecBCD and RecF pathways // Bacterial Chromosomes (неопр.) / Higgins P.. — Washington, D.C: ASM Press (англ.), 2003. — С. 389—403. — ISBN 1-55581-232-5.
  3. Singleton M. R., Dillingham M. S., Gaudier M., Kowalczykowski S. C., Wigley D. B. Crystal structure of RecBCD enzyme reveals a machine for processing DNA breaks. (англ.) // Nature. — 2004. — Vol. 432, no. 7014. — P. 187—193. — doi:10.1038/nature02988. — PMID 15538360. [исправить]
  4. Bianco P. R., Brewer L. R., Corzett M., Balhorn R., Yeh Y., Kowalczykowski S. C., Baskin R. J. Processive translocation and DNA unwinding by individual RecBCD enzyme molecules. (англ.) // Nature. — 2001. — 18 January (vol. 409, no. 6818). — P. 374—378. — doi:10.1038/35053131. — PMID 11201750. [исправить]
  5. Amundsen S. K., Taylor A. F., Chaudhury A. M., Smith G. R. recD: the gene for an essential third subunit of exonuclease V. (англ.) // Proceedings Of The National Academy Of Sciences Of The United States Of America. — 1986. — August (vol. 83, no. 15). — P. 5558—5562. — doi:10.1073/pnas.83.15.5558. — PMID 3526335. [исправить]
  6. Yu M., Souaya J., Julin D. A. The 30-kDa C-terminal domain of the RecB protein is critical for the nuclease activity, but not the helicase activity, of the RecBCD enzyme from Escherichia coli. (англ.) // Proceedings Of The National Academy Of Sciences Of The United States Of America. — 1998. — 3 February (vol. 95, no. 3). — P. 981—986. — doi:10.1073/pnas.95.3.981. — PMID 9448271. [исправить]
  7. Taylor A. F., Smith G. R. RecBCD enzyme is a DNA helicase with fast and slow motors of opposite polarity. (англ.) // Nature. — 2003. — Vol. 423, no. 6942. — P. 889—893. — doi:10.1038/nature01674. — PMID 12815437. [исправить]
  8. Taylor A. F., Smith G. R. RecBCD enzyme is altered upon cutting DNA at a chi recombination hotspot. (англ.) // Proceedings Of The National Academy Of Sciences Of The United States Of America. — 1992. — 15 June (vol. 89, no. 12). — P. 5226—5230. — doi:10.1073/pnas.89.12.5226. — PMID 1535156. [исправить]
  9. Amundsen S. K., Taylor A. F., Reddy M., Smith G. R. Intersubunit signaling in RecBCD enzyme, a complex protein machine regulated by Chi hot spots. (англ.) // Genes & development. — 2007. — Vol. 21, no. 24. — P. 3296—3307. — doi:10.1101/gad.1605807. — PMID 18079176. [исправить]
  10. Taylor A., Smith G. R. Unwinding and rewinding of DNA by the RecBC enzyme. (англ.) // Cell. — 1980. — November (vol. 22, no. 2 Pt 2). — P. 447—457. — PMID 6256081. [исправить]
  11. Taylor A. F., Schultz D. W., Ponticelli A. S., Smith G. R. RecBC enzyme nicking at Chi sites during DNA unwinding: location and orientation-dependence of the cutting. (англ.) // Cell. — 1985. — May (vol. 41, no. 1). — P. 153—163. — PMID 3888405. [исправить]
  12. 1 2 3 Anderson D. G., Kowalczykowski S. C. The translocating RecBCD enzyme stimulates recombination by directing RecA protein onto ssDNA in a chi-regulated manner. (англ.) // Cell. — 1997. — 11 July (vol. 90, no. 1). — P. 77—86. — PMID 9230304. [исправить]
  13. Taylor A. F., Smith G. R. Regulation of homologous recombination: Chi inactivates RecBCD enzyme by disassembly of the three subunits. (англ.) // Genes & Development. — 1999. — 1 April (vol. 13, no. 7). — P. 890—900. — PMID 10197988. [исправить]
  14. Dixon D. A., Kowalczykowski S. C. The recombination hotspot chi is a regulatory sequence that acts by attenuating the nuclease activity of the E. coli RecBCD enzyme. (англ.) // Cell. — 1993. — 9 April (vol. 73, no. 1). — P. 87—96. — PMID 8384931. [исправить]
  15. Spies M., Amitani I., Baskin R. J., Kowalczykowski S. C. RecBCD enzyme switches lead motor subunits in response to chi recognition. (англ.) // Cell. — 2007. — Vol. 131, no. 4. — P. 694—705. — doi:10.1016/j.cell.2007.09.023. — PMID 18022364. [исправить]
  16. Taylor A. F., Smith G. R. Strand specificity of nicking of DNA at Chi sites by RecBCD enzyme. Modulation by ATP and magnesium levels. (англ.) // The Journal Of Biological Chemistry. — 1995. — 13 October (vol. 270, no. 41). — P. 24459—24467. — PMID 7592661. [исправить]
  17. Anderson D. G., Kowalczykowski S. C. The recombination hot spot chi is a regulatory element that switches the polarity of DNA degradation by the RecBCD enzyme. (англ.) // Genes & Development. — 1997. — 1 March (vol. 11, no. 5). — P. 571—581. — PMID 9119222. [исправить]
  18. Amundsen S. K., Smith G. R. Chi hotspot activity in Escherichia coli without RecBCD exonuclease activity: implications for the mechanism of recombination. (англ.) // Genetics. — 2007. — January (vol. 175, no. 1). — P. 41—54. — doi:10.1534/genetics.106.065524. — PMID 17110484. [исправить]
  19. Köppen A., Krobitsch S., Thoms B., Wackernagel W. Interaction with the recombination hot spot chi in vivo converts the RecBCD enzyme of Escherichia coli into a chi-independent recombinase by inactivation of the RecD subunit. (англ.) // Proceedings Of The National Academy Of Sciences Of The United States Of America. — 1995. — 3 July (vol. 92, no. 14). — P. 6249—6253. — doi:10.1073/pnas.92.14.6249. — PMID 7541534. [исправить]
  20. Myers R. S., Kuzminov A., Stahl F. W. The recombination hot spot chi activates RecBCD recombination by converting Escherichia coli to a recD mutant phenocopy. (англ.) // Proceedings Of The National Academy Of Sciences Of The United States Of America. — 1995. — 3 July (vol. 92, no. 14). — P. 6244—6248. — doi:10.1073/pnas.92.14.6244. — PMID 7603978. [исправить]