إكسونوكلياز

الإكسونوكليازات هي إنزيمات تعمل على فصل النيوكليوتيدات واحدًا تلو الآخر من نهاية (إكسو) سلسلة عديد النيوكليوتيدات. ويحدث تفاعل تحلل مائي يكسر روابط الفوسفودايستر عند النهاية 3′ أو 5′ . أما الإندونوكلياز ، وهو قريب لها، فيفصل روابط الفوسفودايستر في منتصف (إندو) سلسلة عديد النيوكليوتيدات. تمتلك حقيقيات النوى وبدائيات النوى ثلاثة أنواع من الإكسونوكليازات المشاركة في التجديد الطبيعي للرنا المرسال : إكسونوكلياز 5′ إلى 3′ (Xrn1) ، وهو بروتين إزالة غطاء معتمد ؛ وإكسونوكلياز 3′ إلى 5′، وهو بروتين مستقل؛ وإكسونوكلياز 3′ إلى 5′ الخاص بذيل عديد الأدينين. ^{[ 1 ] [ 2 ]}

في كل من العتائق وحقيقيات النوى ، يتم تنفيذ أحد المسارات الرئيسية لتحلل الحمض النووي الريبي بواسطة مركب الإكسوسوم متعدد البروتينات، والذي يتكون إلى حد كبير من إنزيمات إكسوريبونوكلياز من 3′ إلى 5′ .

من المعروف أن بوليميراز الحمض النووي الريبي II يعمل أثناء إنهاء عملية النسخ؛ إذ يتعاون مع إنزيم إكسونيوكلياز 5' (الجين البشري Xrn2) لتحليل النسخة المتكونة حديثًا في اتجاه المصب، تاركًا موقع إضافة ذيل عديد الأدينين، وفي الوقت نفسه يُطلق البوليميراز. تتضمن هذه العملية لحاق الإكسونيوكلياز ببوليميراز الحمض النووي الريبي II وإنهاء عملية النسخ. ^{[ 3 ]}

يقوم بوليميراز الحمض النووي الأول (Pol I) بتخليق نيوكليوتيدات الحمض النووي (DNA) مكان بادئ الحمض النووي الريبي (RNA) الذي أزاله للتو. كما يمتلك بوليميراز الحمض النووي الأول نشاطًا خارجيًا من 3' إلى 5' ومن 5' إلى 3'، يُستخدم في تحرير الحمض النووي وتصحيحه بحثًا عن الأخطاء. يستطيع النشاط من 3' إلى 5' إزالة نيوكليوتيد واحد فقط في كل مرة، بينما يستطيع النشاط من 5' إلى 3' إزالة نيوكليوتيدات أحادية أو حتى 10 نيوكليوتيدات في المرة الواحدة.

في عام 1971، اكتشف ليمان إنزيم إكسونوكلياز I في بكتيريا الإشريكية القولونية . ومنذ ذلك الحين، توالت الاكتشافات، بما في ذلك: إكسونوكلياز II، III ، IV، V ، VI، VII ، وVIII. ولكل نوع من أنواع الإكسونوكلياز وظيفة أو متطلبات محددة. ^{[ 4 ]}

يقوم إنزيم إكسونوكلياز 1 بتفكيك الحمض النووي أحادي السلسلة في اتجاه 3' → 5'، مُحررًا جزيئات ديوكسي ريبونوكليوزيد 5'-أحادي الفوسفات واحدة تلو الأخرى. ولا يقوم هذا الإنزيم بتفكيك سلاسل الحمض النووي التي لا تحتوي على مجموعات هيدروكسيل طرفية 3' لأنها محجوبة بمجموعات الفوسفوريل أو الأسيتيل. ^{[ 5 ]}

يرتبط الإكسونوكلياز الثاني ببوليميراز الحمض النووي الأول، والذي يحتوي على إكسونوكلياز 5' يقوم بقطع بادئ الحمض النووي الريبي الموجود مباشرة في اتجاه المنبع من موقع تخليق الحمض النووي بطريقة 5' → 3'.

يمتلك إنزيم إكسونوكلياز III أربعة أنشطة تحفيزية:

• نشاط إنزيم إكسوديوكسي ريبونوكلياز من 3' إلى 5'، وهو نشاط خاص بالحمض النووي المزدوج السلسلة
• نشاط إنزيم RNase
• نشاط الفوسفاتاز 3'
• نشاط الإندونوكلياز AP ​​(الذي تبين لاحقًا أنه يسمى الإندونوكلياز II). ^{[ 6 ]}

يُضيف إنزيم إكسونوكلياز الرابع جزيء ماء، مما يُتيح له كسر الرابطة بين الأوليغونوكليوتيد والنيوكليوسيد أحادي الفوسفات 5'. ويتطلب هذا الإنزيم أيونات المغنيسيوم (Mg2+) لكي يعمل، كما أنه يعمل في درجات حرارة أعلى من إنزيم إكسونوكلياز الأول. ^{[ 7 ]}

إنزيم إكسونوكلياز الخامس هو إنزيم محلل من 3' إلى 5' يحفز الحمض النووي الخطي المزدوج السلسلة والحمض النووي أحادي السلسلة، وهو ما يتطلب أيونات الكالسيوم (Ca2+ ). ^{[ 8 ]} هذا الإنزيم مهم للغاية في عملية إعادة التركيب المتماثل .

إن الإكسونوكلياز الثامن هو بروتين ثنائي من 5' إلى 3' لا يتطلب ATP أو أي فجوات أو شقوق في السلسلة، ولكنه يتطلب مجموعة OH حرة 5' للقيام بوظيفته .

في بكتيريا الإشريكية القولونية، يشفر جين dnaQ الوحدة الفرعية إبسيلون من بوليميراز الحمض النووي III. ^{[ 9 ]} تُعد الوحدة الفرعية إبسيلون واحدة من ثلاثة بروتينات أساسية في مُركب بوليميراز الحمض النووي. وهي تعمل كإنزيم نوكلياز خارجي مُصحح للقواعد، يعمل باتجاه 3'→5'، ويزيل القواعد المُدمجة بشكل خاطئ أثناء عملية التضاعف. ^{[ 10 ]} وبالمثل، في بكتيريا السالمونيلا التيفية ، فإن وظيفة التحرير من 3' إلى 5' المُستخدمة أثناء تضاعف الحمض النووي مشفرة أيضًا بواسطة جين dnaQ ، الذي يُحدد وحدة فرعية من إنزيم نوكلياز خارجي تعمل باتجاه 3' إلى 5'، وهي واحدة من البروتينات الأساسية الثلاثة المُشفرة بشكل منفصل في إنزيم بوليميراز الحمض النووي III الكامل. ^{[ 11 ]}

على عكس بكتيريا الإشريكية القولونية والسالمونيلا التيفية ، حيث تُشفَّر وظائف البوليميراز والتحرير بواسطة جينات منفصلة، ​​فإن بوليميراز الحمض النووي في نوع البكتيريا Buchnera aphidicola، المُشفَّر بواسطة جين DNA III (polC)، يحتوي على كلٍّ من نطاقي بوليميراز الحمض النووي ونطاق الإكسونوكلياز من 3' إلى 5'. ^{[ 11 ]} ويبدو أن تباينًا تطوريًا (منذ حوالي 0.25 إلى 1.2 مليار سنة) قد ارتبط بانفصال وظيفة جين بوليميراز الحمض النووي عن وظيفة جين التحرير بالإكسونوكلياز من 3' إلى 5' في السلالة التي أدت إلى ظهور الإشريكية القولونية والسالمونيلا التيفية . ^{[ 11 ]}

من المعروف أن الإندونوكلياز البشري من النوع 3' إلى 5' ضروري للمعالجة السليمة لـ pre-mRNA الهستوني، حيث يوجه U7 snRNP عملية القطع الأحادي. بعد إزالة ناتج القطع النهائي (DCP)، يواصل Xrn1 تحطيم الناتج حتى يتحلل تمامًا. ^{[ 12 ]} يسمح هذا بإعادة تدوير النيوكليوتيدات. يرتبط Xrn1 بنشاط القطع المتزامن مع النسخ (CoTC) الذي يعمل كطليعة لتكوين طرف 5' حر غير محمي، مما يسمح للإكسونوكلياز بإزالة ناتج القطع النهائي (DCP) وتحطيمه. يبدأ هذا إنهاء النسخ، إذ لا يرغب الجسم في تراكم خيوط الحمض النووي DNA أو RNA. ^{[ 13 ]}

يُعدّ CCR4-Not مُركّبًا تنظيميًا عامًا للنسخ في الخميرة المتبرعمة ، وقد وُجد أنه مرتبط باستقلاب الحمض النووي الريبوزي الرسول (mRNA) ، وبدء النسخ، وتحلله. يحتوي CCR4 على نشاط إكسونوكلياز من 3' إلى 5' في الحمض النووي الريبوزي (RNA) والحمض النووي أحادي السلسلة ( DNA) . ^{[ 14 ]} ومن المكونات الأخرى المرتبطة بـ CCR4-Not بروتين CAF1، الذي وُجد أنه يحتوي على نطاقات إكسونوكلياز من 3' إلى 5' أو من 5' إلى 3' في الفأر والديدان الأسطوانية Caenorhabditis elegans . ^{[ 15 ]} لم يُعثر على هذا البروتين في الخميرة، مما يُشير إلى أنه من المُحتمل أن يحتوي على نطاق إكسونوكلياز غير طبيعي، مثل ذلك الموجود في الحيوانات متعددة الخلايا. ^{[ 16 ]} تحتوي الخميرة على إكسونوكلياز Rat1 وXrn1. يعمل بروتين Rat1 تمامًا مثل نظيره البشري (Xrn2)، وتتمثل وظيفة Xrn1 في السيتوبلازم في الاتجاه من 5' إلى 3' لتحليل الحمض النووي الريبوزي (pre-5.8s و25s rRNAs) في غياب Rat1. ^{[ 17 ] [ 18 ]}

في فيروسات كورونا بيتا ، بما في ذلك فيروس سارس-كوف-2 ، فإن إنزيم إكسونوكلياز nsp14-ExoN، وهو جزء من الجينوم الفيروسي، مسؤول عن إعادة التركيب التي تُسهم في ظهور سلالات جديدة. ^{[ 19 ]}

• الإكسونوكليازات في رؤوس الموضوعات الطبية (MeSH) التابعة للمكتبة الوطنية الأمريكية للطب