Эндонуклеаза AP - AP endonuclease

Ленточная диаграмма APE1. PDB = 1de9.[1]

Апуриновая / апиримидиновая (AP) эндонуклеаза является фермент который участвует в ДНК базовая эксцизионная пластика путь (BER). Его основная роль в ремонте поврежденных или несоответствующих нуклеотиды в ДНК - это создать ник в фосфодиэфир костяк Сайт AP создан когда ДНК гликозилаза удаляет поврежденную основу.

Есть четыре типа AP эндонуклеазы которые были классифицированы в соответствии с их механизмом и местом разреза. Эндонуклеазы АП класса I (EC 4.2.99.18 ) расщепляют 3'-сайты AP по механизму β-лиазы, оставляя ненасыщенный альдегид, называемый остатком 3 '- (4-гидрокси-5-фосфо-2-пентеналь), и 5'-фосфатом. Эндонуклеазы АР класса II разрезают ДНК от 5 'до участков АР по гидролитическому механизму, оставляя 3′-гидроксил и 5′-дезоксирибозо-фосфатный остаток.[2] Эндонуклеазы АР класса III и IV также расщепляют ДНК по фосфатным группам 3 'и 5' до безосновного сайта, но они генерируют 3'-фосфат и 5'-ОН.[3]

У человека есть две эндонуклеазы AP, APE1 и APE2. APE1 проявляет сильную AP-эндонуклеазную активность, которая составляет> 95% от общей клеточной активности, и APE1 считается основной AP-эндонуклеазой в клетках человека.[4] Эндонуклеаза АР человека (APE1), как и большинство эндонуклеаз АР, относится к классу II и требует наличия Mg2+ в его активный сайт для выполнения своей роли в основной эксцизионной пластике. Дрожжевым гомологом этого фермента является APN1.[5]

Эндонуклеаза АР человека 2 (APE2), как и большинство эндонуклеаз АР, также относится ко II классу. Экзонуклеазная активность APE2 сильно зависит от ионов металлов. Однако APE2 был более чем в 5 раз активнее в присутствии марганца, чем ионов магния.[4] Консервативные домены, участвующие в каталитической активности, расположены в N-концевой части как APE1, так и APE2. Кроме того, белок APE2 имеет С-концевое удлинение, которое не присутствует в APE1, но также может быть обнаружено в гомологах APE2 человека, таких как белки APN2 С. cerevisiae и С. Помбе.[4]

Структура APE1

Положительные остатки на поверхности белка APE1 (синего цвета) закрепляют и изгибают ДНК, взаимодействуя с отрицательными фосфатными группами ДНК. PDB 1de9.[1]
Водородная связь между ключевыми аминокислотными остатками помогает стабилизировать структуру активного центра. Кроме того, отрицательно заряженный остаток (Glu 96) помогает удерживать Mg2 +, также необходимый для стабилизации AP-сайта на месте PDB 1de9.[1]

APE1 содержит несколько аминокислота остатки, которые позволяют ему избирательно реагировать с AP-сайтами. Три остатка APE1 (Arg 73, Ала 74, и Lys 78) контактирует с тремя последовательными фосфатами ДНК на нити, противоположной той, которая содержит AP-сайт, в то время как Тюр 128 и Gly 127 охватывают и расширяют малую бороздку, закрепляя ДНК для крайнего перегиба, вызванного взаимодействием между положительными остатками, обнаруженными в четырех петлях и одной петле. α-спираль и отрицательные фосфатные группы, обнаруженные в фосфодиэфирном скелете ДНК.

Этот крайний излом заставляет безосновную часть ДНК попадать в APE1. активный сайт. Этот активный сайт граничит с Phe 266, Trp 280, и Лея 282, которые плотно упакованы гидрофобный сторона AP сайта, дискриминируя сайты, у которых есть базы. Затем AP-сайт дополнительно стабилизируется с помощью водородная связь фосфатной группы 5´ к AP-сайту с Asn 174, Asn212, Его 309, а Mg2+ ион, в то время как его партнер-сиротское основание стабилизируется за счет водородной связи с Встретились 270. Фосфатная группа 3 'к AP-сайту стабилизируется за счет водородной связи с Arg 177. Между тем Жерех 210 в активном сайте, который становится более реактивным из-за увеличения его pKа (или отрицательный логарифм константа диссоциации кислоты ), вызванный его стабилизацией за счет водородной связи между Asn68 и Asn212, активирует нуклеофил который атакует и расщепляет фосфодиэфирный остов и, вероятно, приводит к наблюдаемой максимальной активности APE1 на pH из 7,5.[1]

Механизм

Фермент APE1 создает разрыв в остове фосфодиэфира на базовый (безосновный) сайт через простой механизм ацильного замещения. Во-первых, остаток Asp210 в активном центре депротонирует молекулу воды, которая затем может выполнять нуклеофильную атаку на фосфатную группу, расположенную в 5´ от AP-сайта. Затем электроны от одного из атомов кислорода в фосфатной группе движутся вниз, отталкивая один из других атомов кислорода, чтобы создать свободную 5´-фосфатную группу в AP-сайте и свободный 3´-OH на нормальном нуклеотиде, причем оба из них стабилизируются Mg2+ ион.[1]

Механизм APE1colour 2.svg

Ингибирование APE1

Лукантон

Известные ингибиторы APE1 включают 7-нитроиндол-2-карбоновую кислоту (NCA) и люкантон.[6] Обе эти структуры имеют кольца, прикрепленные к коротким цепям, которые кажутся похожими на кольцо сахара дезоксирибозы без присоединенного основания и фосфодиэфирной связи в ДНК. Кроме того, оба содержат множество акцепторов Н-связи, которые могут взаимодействовать с донорами Н-связи в активном сайте APE1, заставляя эти ингибиторы прилипать к активному центру и не позволяя ферменту катализировать другие реакции.

APE1 как химиопрофилактическая мишень

Поскольку APE1 выполняет важную функцию в пути репарации путем удаления оснований ДНК, он стал мишенью для исследователей, ищущих средства предотвращения выживания раковых клеток при химиотерапии. APE1 не только необходим сам по себе для создания разрыва в основе ДНК, чтобы ферменты, участвующие в пути BER, могли распознавать AP-сайт, он также выполняет окислительно-восстановительную функцию, которая помогает активировать другие ферменты, участвующие в репарации ДНК. Таким образом, подавление APE1 может привести к чувствительности опухолевых клеток, тем самым предотвращая сохранение раковых клеток после химиотерапии.[7]

Активность фермента APE2

APE2 имеет гораздо более слабую активность AP-эндонуклеаз, чем APE1, но его 3'-5'-экзонуклеазная активность выше по сравнению с APE1.[8] и он имеет довольно сильную активность 3'-фосфодиэстеразы.[4]

Экзонуклеазная активность APE2 3 '–5' обладает способностью гидролизовать дуплекс ДНК с тупыми концами, частичные дуплексы ДНК с утопленным 3 '-концом или одиночный нуклеотидный разрыв, содержащий гетеродуплексную ДНК. Активность 3'-фосфодиэстеразы APE2 может удалять модифицированные 3'-концы, такие как 3'-фосфогликолят, а также несовпадающие нуклеотиды с 3'-конца праймера ДНК.[4]

APE2 необходим для ответа на повреждение ДНК ATR-Chk1 после окислительного стресса.

Рекомендации

Молекулярные графические изображения были получены с использованием пакета UCSF Chimera из Ресурса для биокомпьютеров, визуализации и информатики Калифорнийского университета в Сан-Франциско (при поддержке NIH P41 RR-01081).[9]

  1. ^ а б c d е Клиффорд Д. Мол; Тахиде Идзуми; Санкар Митра; Джон А. Тайнер (2000). «ДНК-связанные структуры и мутанты обнаруживают базовое связывание ДНК за счет восстановления и координации ДНК APE1». Природа. 403 (6768): 451–456. Дои:10.1038/35000249. PMID  10667800.
  2. ^ Левин, Джошуа Д.; Демпл, Брюс (1990). «Анализ апуриновых / апиримидиновых эндонуклеаз класса II (гидролитический) и класса I (бета-лиаза) с синтетическим ДНК-субстратом». Исследования нуклеиновых кислот. 18 (17): 5069–75. Дои:10.1093 / nar / 18.17.5069. ЧВК  332125. PMID  1698278.
  3. ^ Гэри М. Майлз; Азиз Санкар (1989). «Ремонт ДНК». Химические исследования в токсикологии. 2 (4): 197–226. Дои:10.1021 / tx00010a001. PMID  2519777.
  4. ^ а б c d е Буркович П., Шукачсов В., Унк И., Грацска Л. (2006). «Человеческий белок Ape2 обладает 3'-5'-экзонуклеазной активностью, которая действует преимущественно на несовпадающие пары оснований». Нуклеиновые кислоты Res. 34 (9): 2508–15. Дои:10.1093 / нар / gkl259. ЧВК  1459411. PMID  16687656.
  5. ^ Джордж У. Тибор; Дина Р. Маренсейн; Дэвид М. Уилсон III (2004 г.). «Эндонуклеаза АР человека (APE1) демонстрирует эндонуклеолитическую активность против участков АР в одноцепочечной ДНК». Ремонт ДНК. 3 (5): 527–533. Дои:10.1016 / j.dnarep.2004.01.010. PMID  15084314.
  6. ^ Марк Р. Келли; Мелисса Л. Фишел (2007). «Белок эксцизионной репарации оснований ДНК Ape1 / Ref-1 в качестве терапевтической и химиопрофилактической мишени». Молекулярные аспекты медицины. 28 (3–4): 375–395. Дои:10.1016 / j.mam.2007.04.005. PMID  17560642.
  7. ^ Марк Р. Келли; Мейхуа Луо; Сара Делафлейн; Айхуа Цзян; Эйприл Рид; Инь Хэ; Мелисса Фишел; Родни Л. Найланд II; Ричард Ф. Брох; Xizoxi Qiao; Милли М. Георгиадис (2008). «Роль многофункционального репарации ДНК и сигнального белка окислительно-восстановительного потенциала Ape1 / Ref-1 в раковых и эндотелиальных клетках: подавление малыми молекулами окислительно-восстановительной функции Ape1». Антиоксиданты и редокс-сигналы. 10 (11): 1–12. Дои:10.1089 / ars.2008.2120. ЧВК  2587278. PMID  18627350.
  8. ^ Ставнезер Дж., Лайнехан Е.К., Томпсон М.Р., Хаббуб Дж., Учер А.Дж., Кадунгуре Т., Цучимото Д., Накабеппу Ю., Шрейдер К.Э. (2014). «Дифференциальная экспрессия APE1 и APE2 в зародышевых центрах способствует подверженной ошибкам репарации и мутациям A: T во время соматической гипермутации». Proc. Natl. Акад. Sci. СОЕДИНЕННЫЕ ШТАТЫ АМЕРИКИ. 111 (25): 9217–22. Дои:10.1073 / pnas.1405590111. ЧВК  4078814. PMID  24927551.
  9. ^ Э.Ф. Петтерсен; Т.Д. Годдард; C.C. Хуанг; G.S. Диван; D.M. Гринблат; E.C. Meng; T.E. Феррин (2004). «UCSF Chimera - система визуализации для поисковых исследований и анализа» (PDF). J. Comput. Chem. 25 (13): 1605–1612. Дои:10.1002 / jcc.20084. PMID  15264254.

внешняя ссылка