Daniel Renčiuk BFU AV ČR, v.v.i. Enzymy v molekulární biologii VFU, Brno 10.10.2019 1 Dělení enzymů Dle typu reakce: • Polymerázy – syntéza nového polynukleotidového řetězce dle matrice • Nukleázy – štěpení polynukleotidového řetězce • Kinázy – fosforylace substrátu – připojení fosfátové skupiny na 5‘ konec • Fosfatázy – defosforylace substrátu – odštěpení fosfátové skupiny z 5‘ konce • Ligázy – spojení dvou konců polynukleotidového řetězce • Transferázy – připojení funkční skupiny nebo nukleotidu (bez matrice) Dle typu substrátu: • DNA • RNA 2 Terminologie 3 PO3 5‘ OH 3‘ PO3 5‘ OH 3‘ PO3 5‘ OH 3‘ Konce řetězců NK Tupý konec (blunt end) Lepivé /kohezivní konce (sticky / cohesive ends) 3‘ recessed x 5‘ protruding 5‘ recessed x 3‘ protruding Jednořetězcový zlom (single-strand break; nick) Mezera (gap) Dvouřetězcová DNA - dsDNA Jednořetězcová oblast v dsDNA 3‘ OH PO3 5‘ Jednořetězcová DNA - ssDNA • syntéza nového řetězce DNA (RNA) dle matrice DNA (RNA) • DNA polymerázy - připojováním nukleotidů k 3‘-OH primeru • RNA polymerázy – pomocí komplementarity de novo a následně připojováním nukleotidů k 3‘-OH nukleotidů připojených dříve • anabolické enzymy DNA-dependentní DNA-polymerázy DNA polymeráza I Klenowův fragment polymerázy I Termostabilní DNA polymerázy – izolované z termofilních mikroorganizmů – přednáška o PCR RNA-polymerázy T7 RNA polymeráza poly-A polymeráza – bez templátu RNA-dependentní DNA-polymerázy Reverzní transkriptáza Polymerázy 4 • 5‘-3‘ polymerázová aktivita, 5‘-3‘ i 3‘-5‘ (proofreading) exonukleázová aktivita – převažující aktivita v závislosti na templátu a koncentraci dNTP • Jeden protein (109 kDa) se třemi doménami pro příslušné enzymové aktivity • Zdroj: bakteriální, nyní jako rekombinantní protein • Kofaktor: Mg2+ • Využití: Značení DNA („nick-translace“), syntéza dvouřetězcové cDNA, modifikace konců molekul DNA DNA polymeráza I 5‘ PO3 3‘ OH PO3 5‘ OH 3‘ 5‘ PO3 3‘ OH PO3 5‘ OH 3‘ 5‘ PO3 3‘ OH PO3 5‘ OH 3‘ OH 3‘5‘ PO3 5‘ PO3 3‘ OH PO3 5‘ OH 3‘ nick-translace polymerázová + 5‘-3‘ exo aktivita S1 S2 S3 S4 S2S1 S3 S4 Nativní gel S2S1 S3 S4 Denaturační gel 5 • 5‘-3‘ polymerázová aktivita, pouze 3‘-5‘ exonukleázová aktivita • Vzniká odstraněním N-koncové domény DNA polymerázy I štěpením subtilizinem • Zdroj: nyní jako rekombinantní protein • Kofaktor: Mg2+ • Využití: Doplnění zkrácených 3‘ konců („fill-in reaction“), syntéza dvouřetězcové cDNA, polymerase-stop assay Klenowův fragment DNA polymerázy I 5‘ PO3 3‘ OH PO3 5‘ OH 3‘ 5‘ PO3 3‘ OH PO3 5‘ OH 3‘ 5‘ PO3 3‘ OH PO3 5‘ OH 3‘ OH 3‘5‘ PO3 fill-in reakce polymerázová aktivita S1 S1 S3 S4 S2S1 S3 S4 Nativní gel S2S1 S3 S4 Denaturační gel 5‘ PO3 3‘ OH PO3 5‘ OH 3‘ 6 • Syntéza nového řetězce DNA dle matrice DNA připojováním nukleotidů k 3‘-OH primeru • Izolace z termofilních organizmů • Katalytická aktivita maximální při 70-80°C, klesá s klesající teplotou • Nyní spíše rekombinantní upravené varianty s optimalizovanými vlastnostmi • Optimalizovaná procesivita – schopnost polymerovat dlouhé molekuly DNA (desítky kb) • Zvýšená fidelity – velmi nízká chybovost – proofreading mechanizmus • Optimalizovaná schopnost polymerovat GC bohaté oblasti • Kofaktor: Mg2+ • Využití: polymerázová řetězová reakce (PCR - in vitro amplifikace DNA) Taq – Thermus aquaticus – poločas cca 1,5 h při 95°C Pfu – Pyrococcus furiosus – extrémně přesná Vent – Thermococcus litoralis – poločas až 7 h při 95°C • Podrobnosti v přednášce o PCR Termostabilní DNA polymerázy 7 • RNA-dependentní DNA-polymerázy, možná RNáza H aktivita • syntéza nového řetězce DNA (obvykle tzv. cDNA – complementary DNA) dle matrice RNA • Vyžaduje primer (náhodné hexanukleotidy, oligo T – pro mRNA, …) • Zdroj: virového původu (AMV-Avian Mieloblastosis Virus; M-MuLV- Moloney Murine Leukemia Virus), nyní obvykle rekombinantní (ProtoScript, …) • Kofaktor: Mg2+ • Využití: syntéza cDNA Reverzní transkriptázy 5‘ PO3 3‘ OH PO3 5‘ OH 3‘ 5‘ PO3 3‘ OH PO3 5‘ OH 3‘ S1 S1 8 • štěpení polynukleotidového řetězce DNA (RNA) od konců (exonukleázy) nebo uvnitř řetězce (endonukleázy) • katabolické enzymy DNA nukleázy (DNázy) Bal31 Exonukleáza fága lambda (λ) Nukleáza ExoIII Dnáza I Nukleáza S1 Restrikční endonukleázy – sekvenčně specifické - samostatná přednáška o PCR RNA nukleázy (RNázy) RNáza A – DNA-dependentní RNA-polymeráza RNáza H – bez templátu RNáza T1 Nukleázy využívané pro editaci genomu Cas9 – CRISPR/Cas9 ZFN TALEN Nukleázy 9 5‘ PO3 3‘ OH PO3 5‘ OH 3‘ EXO 5‘-3‘ EXO 3‘-5‘ ENDO • Primárně exonukleázová aktivita od obou konců dsDNA (5‘-3‘ i 3‘-5‘) • Sekundární endonukleázová aktivita specifická pro jednořetězcové oblasti DNA i RNA v rámci dsDNA (zlomy, mezery, …) • Netvoří intramolekulární zlomy v dsDNA • Zdroj: bakterie Alteromonas esperijana • Kofaktor: Mg2+, Ca2+ • Využití: zkracování dsDNA z obou konců, odstranění jednořetězcových oblastí z DNA:RNA hybridu Nukleáza Bal31 5‘ PO3 3‘ OH PO3 5‘ OH 3‘ OH 3‘5‘ PO3S1 S2 S3 S4 S2S1 S3 S4 Nativní gel S2S1 S3 S4 Denaturační gel 5‘ PO3 3‘ OH PO3 5‘ OH 3‘ 5‘ PO3 3‘ OH PO3 5‘ OH 3‘ 5‘ PO3 3‘ OH PO3 5‘ OH 3‘ OH 3‘5‘ PO3 PO3 5‘ 3‘ OH 10 • Exonukleázová aktivita ve směru 5‘-3‘ na ds DNA, odštěpuje nukleosid-monofosfáty • Silná preference pro 5‘ fosforylovaný řetězec, ale slabě štěpí i nefosforylovaný a jednořetězcovou DNA • Není schopna začít štěpit v místě zlomů a mezer • Zdroj: E. coli infikovaná bakteriofágem T4 • Využití: tvorba jednosměrných delecí, příprava ssDNA z dsDNA Exonukleáza fága lambda (λ) S1 S2 3‘ OH OH 5‘ OH 3‘5‘ PO3 3‘ OH OH 5‘ OH 3‘5‘ PO3 S2S1 S3 S4 Nativní gel S2S1 S3 S4 Denaturační gel 11 • Exonukleáza postupně odbourávající nukleosid-monofosfáty z 3‘ OH konců dsDNA (3‘-5‘ exonukleáza) • Vyžaduje tupé nebo 3‘ recesivní konce, 3‘ přesahující konce jsou rezistentní • Schopna štěpit i v jednořetězcových zlomech, vytváří mezery • Zdroj: E. coli • Využití: příprava delecí, mutageneze, příprava jednořetězcových sond a substrátů pro dideoxy- sekvenování Nukleáza ExoIII S1 S1 3‘ OH PO3 5‘ OH 3‘5‘ PO3 3‘ OH PO3 5‘ OH 3‘5‘ PO3 S2S1 S3 S4 Nativní gel S2S1 S3 S4 Denaturační gel 12 • Nespecifická endonukleáza štěpící dsDNA i ssDNA, v DNA vytváří zlomy • Produkuje di-, tri-, tetra- nukleotid-monofosfáty fosforylované na 5‘ koncích • Zdroj: bakterie Alteromonas esperijana • Kofaktor: Mg2+ - náhodné zlomy v obou řetězcích, Mn2+ - zlomy v obou vláknech proti sobě • Využití: zlomy v dsDNA při nick translaci (nízká koncentrace), vyštěpení DNA při izolaci RNA (vysoká koncentrace), DNase footprinting (nízká koncentrace) Dnáza I S1 S2 13 3‘ OH PO3 5‘ OH 3‘5‘ PO3 3‘ OH PO3 5‘ OH 3‘5‘ PO3 S2S1 S3 S4 Nativní gel S2S1 S3 S4 Denaturační gel 5 5 5 5 5555 S3 3‘ OH PO3 5‘ OH 3‘ 5‘ PO3 5 5 5 5 5 5 5 5 ? ? Sondování DNázou I (Dnase footprinting) 14 • Endonukleáza specificky štěpící ssDNA a jednořetězcové oblasti v rámci dsDNA • Produkuje di-, tri-, tetra- nukleotid-monofosfáty fosforylované na 5‘ koncích • Zdroj: bakterie Aspergillus oryzae • Kofaktor: Zn2+ • Využití: mapování jednořetězcových oblastí DNA, zatupení kohezivních konců • Obdobné nukleázy P1, Mung Bean atp. Nukleáza S1 S1 15 S2 5‘ PO3 3‘ OH PO3 5‘ OH 3‘ 5‘ PO3 3‘ OH PO3 5‘ OH 3‘ 5‘ PO3 3‘ OH PO3 5‘ OH 3‘ 5‘ PO3 3‘ OH PO3 5‘ OH 3‘ S2S1 S3 S4 Nativní gel S2S1 S3 S4 Denaturační gel • Hydrolyzuje preferenčně fosfodiesterové vazby v jednořetězcové molekule RNA na 3‘ konci nespárovaných pyrimidinových nukleotidů (U a C) • Produktem jsem ribonukleosid-monofosfáty s fosfátovou skupinou na 3‘ konci a OH skupinou na 5‘ konci • Neštěpí ssDNA ani dsDNA • Kofaktor: žádné • Zdroj: hovězí slinivka – příprava intenzivním vařením hrubého buněčného extraktu – ostatní bílkoviny denaturovány • Využití: odstranění RNA z roztoku (izolace DNA, …), strukturní studie (nespárované úseky RNA) RNáza A A U G 5‘ 3‘ N O O OHOH O O POH N O O OH O O POH NO O OH O OH POH N N N N N O O N N N N O H H H H H H A U OH O O POH N O O OH O O POH NO O OH O OH POH N N N N N O O H H H G OH N O OHOH N N N N O H H H 16 • Sekvenčně nespecificky hydrolyzuje preferenčně fosfodiesterové vazby v RNA molekule párované s DNA molekulou (hybrid RNA:DNA) • Produktem jsem ribonukleosid-monofosfáty s fosfátovou skupinou na 5‘ konci a OH skupinou na 3‘ konci • Neštěpí ssDNA ani dsDNA • Kofaktor: Mg2+ • Zdroj: E. coli RNáza H N O O OHOH O O POH N O O OH O O POH NO O OH O OH POH N N N N N O O N N N N O H H H H H H N N N O H H N N N N N H H N N O O CH3 H O O OH OH O O P O O OH O O P O O OH O OH P A U G A T C 5‘ 5‘ 3‘ 3‘ N N N O H H N N N N N H H N N O O CH3 H O O OH OH O O P O O OH O O P O O OH O OH P N O O OHOH O POH N N N N O H H H OH OH N O O OH O POH N O O H OH OH NO O OH O OH POH N N N N H H A U G A T C 5‘ 3‘ 17 • Hydrolyzuje preferenčně fosfodiesterové vazby v jednořetězcové molekule RNA na 3‘ konci guanosinových zbytků • Produktem jsou oligoribonukleotidy končící G s fosfátovou skupinou na 3‘ konci a OH skupinou na 5‘ konci, případně GMP (s PO4 na 3‘ konci) • Neštěpí ssDNA ani dsDNA • Kofaktor: žádné • Zdroj: Aspergillus oryzae, dnes rekombinantní protein produkovaný E. coli • Využití: strukturní studie RNA, sekvenování RNA RNáza T1 OH N O O OHO O O POH N O O OH O POH N O O N N N N O H H H H NO O OHO O POH N N N N O H H H OH NO O OH O POH N N N N H H A U G 5‘ 3‘ G OH OH NO OH N N N N H H A OH NO CH3 OHO N N N N O H H H O POH G OH OH N O O OHO O O POH N O O OH O POH N O O N N N N O H H H H O POH U G 18 Cas9 nukleázy – CRISPR/Cas9 19 {New England Biolabs; https://www.neb.com/products/m0386-cas9-nuclease-s-pyogenes#Product%20Information} Cas9 nukleázy – CRISPR/Cas9 – Genome editing 20 A. Wild-type Cas9 nuclease site specifically cleaves double-stranded DNA activating double-strand break repair machinery. In the absence of a homologous repair template non-homologous end joining can result in indels disrupting the target sequence. Alternatively, precise mutations and knock-ins can be made by providing a homologous repair template and exploiting the homology directed repair pathway. B. Mutated Cas9 makes a site specific single-strand nick. Two sgRNA can be used to introduce a staggered double-stranded break which can then undergo homology directed repair. C. Nuclease-deficient Cas9 can be fused with various effector domains allowing specific localization. For example, transcriptional activators, repressors, and fluorescent proteins. {New England Biolabs; https://www.neb.com/products/m0386-cas9-nuclease-s-pyogenes#Product%20Information} {https://www.scbt.com/scbt/whats- new/crispr-systems} ZFN nukleázy – Genome editing 21 ZFN-mediated genome editing takes place in the nucleus when a ZFN pair targeting the user’s gene of interest is delivered into a parental cell line, either by transfection, electroporation or viral delivery. {Sigma-Aldrich; https://www.sigmaaldrich.com/life-science/zinc-finger-nuclease-technology/learning-center/what-is-zfn.html} Each Zinc Finger Nuclease (ZFN) consists of two functional domains: a.) A DNA-binding domain comprised of a chain of twofinger modules, each recognizing a unique hexamer (6 bp) sequence of DNA. Two-finger modules are stitched together to form a Zinc Finger Protein, each with specificity of ≥ 24 bp. b.) A DNA-cleaving domain comprised of the nuclease domain of Fok I. When the DNA-binding and DNA-cleaving domains are fused together, a highly-specific pair of 'genomic scissors' are created. TALEN nukleázy – Genome editing 22 Transcription Activator-Like Effector Nucleases a | Schematic diagram of a TALEN. TALE repeats are shown as colored cylinders with a final carboxy-terminal truncated “half” repeat. Letters inside each repeat represent the two hypervariable residues. TALE-derived amino- and carboxy-terminal domains required for DNA-binding activity are shown as longer blue and grey cylinders, respectively. The non-specific nuclease domain from the FokI endonuclease is shown as a larger orange cylinder. b | TALENs bind and cleave as dimers on a target DNA site. Note that the TALE-derived amino- and carboxy-terminal domains flanking the repeats may make some contacts to the DNA. Cleavage by the FokI domains occurs in the “spacer” sequence that lies between the two regions of the DNA bound by the two TALEN monomers. c | Schematic diagram of a TALE-derived DNA-binding domain. The amino acid sequence of a single TALE repeat is expanded below with the two hypervariable residues highlighted in orange and bold text. d | TALE-derived DNAbinding domain aligned with its target DNA sequence. Note the matching of repeat domains to single bases in the target site according to the TALE code. Also note the presence of a 5’ thymine preceding the first base bound by a TALE repeat. {J.K. Joung a J.D. Sander, Nat Rev Mol Cell Biol (2013)} Cas13 nukleázy – Genome editing 23 {D. B. T. Cox et al., Science 10.1126/science.aaq0180 (2017)} A) Schematic of RNA editing by dCas13b-ADARDD fusion proteins. Catalytically dead Cas13b (dCas13b) is fused to the deaminase domain of human ADAR (ADARDD), which naturally deaminates adenosines to insosines in dsRNA. The crRNA specifies the target site by hybridizing to the bases surrounding the target adenosine, creating a dsRNA structure for editing, and recruiting the dCas13b-ADARDD fusion. A mismatched cytidine in the crRNA opposite the target adenosine enhances the editing reaction, promoting target adenosine deamination to inosine, a base that functionally mimics guanosine in many cellular reactions. B) Schematic of Cypridina luciferase W85X target and targeting guide design. Deamination of the target adenosine restores the stop codon to the wildtype tryptophan. Spacer length is the region of the guide that contains homology to the target sequence. Mismatch distance is the number of bases between the 3’ end of the spacer and the mismatched cytidine. The cytidine mismatched base is included as part of the mismatch distance calculation. Komplex katalyticky inaktivní nukleázy Cas13 (dCas13b) s guide RNA a RNA-specifické Adenosin Deaminázy ADAR) místně specificky (primární sekvence z gRNA, rozpoznána Cas13) katalyzuje deaminaci A na I (ADAR), který funguje jako G Genome editing 24 {A.A. Nemudryi et al., Acta Naturae (2014)} A general scheme of the strategy for using the TALEN and CRISPR/Cas systems in genomic engineering Další enzymy 25 Ligázy – spojování fragmentů nukleových kyselin T4 DNA ligáza Transferázy – připojování funkčních skupin a nukleotidů bez templátu Terminální transferáza (TdT) DNA metyltransferázy (DNA MTase) – metylace DNA – obvykle na C Kinázy – připojení fosfátové skupiny T4 polynukleotid kináza Fosfatázy – odštěpení fosfátové skupiny Alkalická fosfatáza • Spojuje dva konce polynukleotidového řetězce DNA, tupé i lepivé konce • Vyžaduje přítomnost OH skupiny na 3‘ konci a fosfátové skupiny na 5‘ konci v místě spojení • Nutné ATP nebo NAD jako zdroj energie pro vytvoření fosfodiesterové vazby • Zdroj: E. coli infikovaná bakteriofágem T4 • Opravuje jednořetězcové zářezy („nick“) v dsDNA, RNA i DNA/RNA hybridech T4 DNA ligáza 5‘ PO3 3‘ OH PO3 5‘ OH 3‘ 5‘ PO3 3‘ OH PO3 5‘ S1 S2 S3 S4 S2S1 S3 S4 Nativní gel Spojení lepivých konců Oprava tupých konců 5‘ PO3 3‘ OH PO3 5‘ OH 3‘ 26 OH 3‘ 5‘ PO3 3‘ OH PO3 5‘ OH 3‘ T4 DNA ligáza {New England Biolabs; www.neb.com} 27 Úprava konců ligací 28 Adaptory Linkery • Ligázou připojené krátké fragmenty dsDNA • Specifický výběr modifikovaného konce zajištěn příslušnou fosforylací – T4 DNA ligáza preferenčně spojuje s fosforylovaným 5‘ koncem PO3 5‘ OH 3‘ PO3 5‘ OH 3‘ • Mění tupý konec na lepivý • Specifická sekvence a směr • Pro připojení inzertu, primeru, … • Vnáší na konec specifickou sekvenci • Pro štěpení restrikční endonukleázou • Pro připojení primeru - PCR PO3 5‘ OH 3‘ Restrikční místo • Přidání deoxynukleotidů k 3‘ OH skupině bez nutnosti matrice • Substrátem jsou jak ssDNA, tak tupé recesivní i přesahující konce dsDNA • Zdroj: např. hovězí brzlík, nyní rekombinantní v E. coli • Kofaktor: Mg2+, Co2+ - zvyšuje aktivitu • Využití: 3‘ terminální značení DNA, přidávání homopolymerních konců, klonování pomocí TdT, … Terminální transferáza (TdT) S1 S2 29 3‘ OH PO3 5‘ OH 3‘5‘ PO3 3‘ OH PO3 5‘ OH 3‘5‘ PO3 • Katalyzuje přesun (forward reaction) nebo výměnu (exchange reaction) γ fosfátu z ATP na 5‘ konec ssDNA, dsDNA, RNA i dNTP • Exchange reakce probíhá s nižší efektivitou – pro značení vhodnější defosforylace, pokud je 5‘ konec fosforylován • Zlomy nejsou výrazněji fosforylovány, mezery ano za vyšší koncentrace ATP • ATP může být nahrazeno jinými NTP, popřípadě dATP, dTTP • Zdroj: nyní rekombinantní v E. coli • Kofaktor: Mg2+ • Využití: 5‘ terminální značení DNA, fosforylace 5‘ konce, odstraňování 3‘ fosfátu z DNA T4 polynukleotid kináza (T4 PNK) 30 N O O OHOH P O OH P O O OH OH OH O O P N N N NH2 N N O O O O O P OH O OH N N N N O H H H N O O OH O P OH N N N N O H H H N HO O CH3 N N O O O O O P OH O O N N N N O H H H N O O OH O P OH N N N N O H H H N HO O CH3 OH O P OH N N O O O O O P OH O O N N N N O H H H N O O OH O P OH N N N N O H H H N HO O CH3 OH O P OH FORWARDEXCHANGE T4 polynukleotid kináza (T4 PNK) 31 {New England Biolabs; https://www.neb.com/products/m0290-alkaline-phosphatase-calf-intestinal-cip#Product%20Information} • Katalyzuje odstranění fosfátu z 5‘ i 3‘ konce ssDNA, dsDNA (recesivní, přesahující i tupé konce), RNA, dNTP • Defosforyluje i proteiny (Ser, Thr, Tyr) • Zdroj: telecí střevo (CIP) – aktivnější, těžko kontrolovatelná, E. coli (BAP) – méně aktivní • Kofaktor: Mg2+, • Využití: defosforylace fragmentů při klonování, značení T4 PNK, odstranění dNTP z reakce Alkalická fosfatáza 32 N N O O O O O P OH O O N N N N O H H H N O O OH O P OH N N N N O H H H N HO O CH3 OH O P OH N N O O O O O P OH O OH N N N N O H H H N O O OH O P OH N N N N O H H H N HO O CH3 Klonování {New England Biolabs; www.neb.com}