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核酸内切酶RNase H1和RNase H2的区别与机理

作者:Magigen

核酸内切酶RNase H1 / 核糖核酸酶H1

RNase H1酶在底物中需要至少四个含有碱基对的核糖核苷酸,并且不能从由脱氧核糖核苷酸组成的链中去除单个核糖核苷酸。因此,在DNA复制过程中,RNase H1酶不参与冈崎片段RNA引物的处理。

RNase H1在单细胞生物中不是必需的;在大肠杆菌中,RNase H1敲除得到温度敏感表型,在酿酒酵母,在应激反应中它们产生缺陷。

在包括哺乳动物在内的许多真核生物中,RNase H1基因包括线粒体靶向序列,导致有和没有MTS的异构体表达。结果,RNase H1定位于线粒体和细胞核。在基因敲除小鼠模型中,由于复制线粒体DNA的缺陷,RNase H1无效突变体在胚胎发生过程中具有致死性。RNase H1丢失引起的线粒体DNA复制缺陷可能是由于R环处理缺陷所致。


核酸内切酶RNase H2 / 核糖核酸酶H2

在原核生物中,RNase H2作为单体蛋白具有酶活性。在真核生物中,它是一种专性异源三聚体,由催化亚基A和结构亚基B和C组成。尽管亚基A与原核RNase H2紧密同源,但B和C亚基在原核生物中没有明显的同源性,即使在真核生物中在序列水平上也保守性很差。B亚基介导RNaseH2复合物和PCNA之间的蛋白质-蛋白质相互作用,其将RNase H2定位于复制病灶。

原核和真核RNase H2酶都能切割一条链中的单个核糖核苷酸。然而,它们的切割模式和底物偏好略有不同:与带有5'脱氧核糖核苷酸的核糖核苷酸相比,原核酶的加工性较低,水解连续核糖核苷酸的效率更高,而真核酶的加工性更强,水解两种底物的效率相似。RNase H2的底物特异性使其在核糖核酸酶切除修复中发挥作用,从DNA中去除错误结合的核糖核酸酶,以及R-环处理。尽管RNase H1和RNase H2都存在于哺乳动物细胞核中,但H2是RNase H活性的主要来源,对维持基因组稳定性很重要。

一些原核生物拥有一个额外的RNase H2型基因,在用于原核生物基因的罗马数字命名法中命名为RNase HIII。RNase HIII蛋白通过序列同一性和结构相似性与RNaseH2组更密切相关,但其底物偏好与RNase H1更为相似。与广泛分布于原核生物中的RNase HI和RNase HII不同,RNase HIII只存在于少数的生物中;它在古细菌中较为常见,很少在与RNase HI相同的原核基因组中发现。



RNase H1 与RNase H2的区别



RNase H1识别四个连续核糖核苷酸的2'-OH,而DNA链被扭曲以适合酶的口袋。因此,该酶需要一个以上的核糖核苷酸来切割RNA/DNA混合体中的RNA。RNaseH1由真核生物和原核生物中的单个多肽组成。相反,RNase H2是真核生物中三种不同多肽的复合物,但在原核生物中是单一多肽。真核生物异三聚体RNase H2的一个亚基在其一级氨基酸序列上与原核酶相似。在RNA引发的DNA合成的情况下,RNase H2可以识别和切割单个核糖核苷酸。

控制RNase H1和RNase H2的方式不同。

RNase H2具有严格的细胞周期要求,它对R环处理和核糖核苷酸切除修复均具有必不可少的功能。然而,RNase H1可以独立于细胞周期起作用,去除R环,并且似乎在高R-环负荷下被激活。


一般情况下,DNA是稳定的双链结构。但是在某些情况下,DNA也会与RNA相互作用,形成调节基因表达和修复DNA的RNA-DNA杂合体的结构。

RNA/DNA杂合体有三种形式:

1. 在双链DNA中的含有单个核糖核苷酸RNA。

2. R-环方式。是由两条DNA链分离的R环形式,只有一条DNA链与RNA杂交,而另一条是单链DNA。

3. 由一条RNA链和第二条DNA链组成。

第一种是只能由2型RNase H, RNase H2/RNase HII, 唯一识别(图1)。后两种类型的杂合体可以由I类和II类RNase H处理。

RNase H1/RNase H2处理RNA-DNA杂合体

图1. RNase H1/RNase H2处理RNA-DNA杂合体


RNase H1可以酶催化R环的去除,降解RNA链。RNase H2与RNase H1一样,能够降解R环中的RNA,但此外,RNase H2可以进行核糖核苷酸切除修复(RER),从而从双链DNA中切除rNMPs(核糖核苷一磷酸),剩余的缺口随后得到修复。当DNA聚合酶在DNA复制过程中将核糖核苷酸错误地掺入染色体时,需要RER。错误掺入的核糖核苷酸被认为是最常发生的DNA损伤之一。RNase H2的突变比RNase H1突变对基因组稳定性的破坏更大,RNase H2在维持基因组稳定性方面比RNase H1具有更重要的作用。

当HIV-AIDS病毒使用逆转录酶(RT酶)将其基因组RNA复制到DNA中时,形成简单的(非R环)RNA/DNA杂交体。RT还具有与I类细胞RNase H结构和功能相似的RNaseH结构域,并且对于病毒DNA合成的几个步骤是必需的。已知在RNA合成期间,可以形成R环,并且异常的R环形成可能导致染色体断裂。在从一种形式的免疫球蛋白切换(重组)到另一种形式的正常重组过程中, 可以观察到R环形成,从而产生不同的抗体异构体。单个核糖核苷酸杂种发生在DNA复制过程中,必须去除核糖核苷酸,这一过程由RNase H2启动。


核酸内切酶RNase H应用

由于RNase H仅特异性降解双链RNA:DNA杂种中的RNA,因此它通常用作分子生物学中的实验室试剂。RNase HI通常用于通过逆转录合成第一链互补DNA(cDNA)后破坏RNA模板。它也可用于在DNA的短互补片段存在的情况下,切割特定的RNA序列。可用于高灵敏度技术检测, 如表面等离子体共振。RNase HII可用于降解冈崎片段的RNA引物组分,或在含有核糖核苷酸的位置引入单链切割。人们已经在一种热启动PCR的变体,称为RNase H依赖性PCR或rhPCR技术,使用耐高温RNase HII进行了PCR实验。值得注意的是,通常用作试剂的RNase抑制剂蛋白在抑制HI或HII活性方面无效。


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