Nucléase

Définition

Les nucléases sont un groupe d'enzymes hydrolases, dont la fonction principale est la dégradation partielle ou totale des acides nucléiques. On parle également de digestion partielle ou complète d'un substrat. Les nucléases d'ADN catalysent le clivage des liaisons phosphodiester.

L'endonucléase Hind3 est une nucléase :

La représentation d'une nucléase est faite via l'enzyme de restriction (endonucléase) HindIII clivant une molécule d'ADN double brin sur un site de restriction valide.

Explications

La nucléase est une enzyme qui catalyse l'hydrolyse des liaisons phosphodiester des acides nucléiques. On distingue :

• les ribonucléases qui hydrolysent les ARN (ARNase);
• les désoxyribonucléases qui hydrolysent l'ADN (ADNase);
• les endonucléases qui hydrolysent l'intérieur de la chaîne polynucléotidique;
• les exonucléases qui détachent les nucléotides terminaux.

Les nucléases jouent un rôle crucial dans divers processus de réparation de l'ADN, qui impliquent la réplication de l'ADN, la réparation par excision de base, la réparation par excision de nucléotides, la réparation de mésappariement et la réparation de rupture de double brin.

Exemples et systématique

La classification selon divers critères ne prétend pas être complète, car des classifications plus fines existent et de nombreuses nucléases ne possèdent aucune propriété assignable unique. Une division plus fine rencontre, par exemple, les exonucléases sont orientées dans le sens de la digestion et n'ont aucun rapport avec les endonucléases (exonucléases 5′-3 'et 3′-5′). Les endonucléases de restriction double brin spécifiques à la séquence (également appelées enzymes de restriction) sont à leur tour classées en fonction de la relation entre la liaison et les interfaces dans les types I à III.

Selon le système de classification des enzymes du comité de la nomenclature de l'Association internationale de biochimie et de biologie moléculaire (NC-IUBMB), la plupart des nucléases sont des hydrolases (EC 3) qui agissent sur les liaisons ester (EC 3.1). Les estérases digérant les acides nucléiques y sont résumées dans les groupes EC 3.1.11 à EC 3.1.31.

Plusieurs propriétés des nucléases servent parfois de critères pour leur classification :

• Type du type d'acide nucléique essentiellement digéré : ARN (ribonucléases, ARNases en abrégé), ADN (désoxyribonucléases, ADNases en abrégé).
• Type de structure secondaire du substrat : simple brin, double brin, simple brin et double brin.
• Type de digestion : dégradation en fin de vie (exonucléases), coupe interne (endonucléases), dégradation externe et coupes internes.
• Lieu d'attaque dans le réseau sucre-phosphate : entre le phosphate et le site 5′ du (désoxy)ribose, entre le phosphate et le site 3′ du désoxyribose.
• Rôle d'une séquence de base particulière : séquence spécifique, séquence non spécifique.
• Origine : nucléases naturelles, nucléases recombinantes (génétiquement modifiées).

Dans la plupart des cas, les nucléases portent le nom de leur origine. À cette fin, les nucléases d'origine naturelle sont souvent nommées en fonction du type d'organisme dont elles sont issues et numérotées dans l'ordre de leur isolement et de leur caractérisation. Ainsi, EcoRI est l'endonucléase de restriction I. de la souche bactérienne "Escherichia coli R".

Nucléases à doigts de zinc

Les nucléases à doigts de zinc (NDZ) sont des enzymes de restriction produites artificiellement. Ils contiennent un domaine de doigt de zinc qui se lie à l'ADN et un domaine de nucléase qui coupe l'ADN. Le domaine à doigts de zinc peut être construit pour reconnaître une séquence d'ADN particulière. Cela signifie qu'avec NDZ, vous pouvez couper un génome complexe sur un site spécifique, permettant ainsi une incorporation ciblée d'ADN étranger.

Les nucléases à doigts de zinc contiennent généralement le domaine de la nucléase à intersection non spécifique de l'enzyme de restriction de type IIS, FokI. Ce domaine de restriction n'est actif que s'il est dimérisé, ce qui explique pourquoi deux monomères de NDZ construits différemment sont nécessaires pour couper la séquence cible de l'ADN. Dans la NDZ standard, le domaine de restriction est lié au domaine à doigts de zinc se liant à l'ADN via son extrémité N-terminale. Pour que les domaines de nucléase se dimérisent et se croisent, les deux monomères de NDZ différents doivent se lier aux deux brins distincts de l'ADN, leurs extrémités C-terminales étant espacées d'une certaine distance.

Plusieurs techniques différentes d'ingénierie des protéines sont utilisées pour augmenter l'activité enzymatique ainsi que l'affinité et la spécificité du domaine à doigts de zinc. Par exemple, "l'évolution dirigée " a été utilisée pour générer des variants de FokI ayant une activité accrue de la nucléase. De plus, la conception structurelle a été utilisée pour générer des variants de FokI dits "hétérodimères obligatoires" par échange d'acides aminés chargés dans l'interface de dimérisation du domaine de la nucléase, qui ont une spécificité de restriction significativement accrue.

Le domaine de liaison à l'ADN contient généralement entre trois et six motifs à doigts de zinc distincts, chaque motif à doigt de zinc reconnaissant 3 pb. Lorsque les domaines à doigts de zinc se lient parfaitement à leur séquence de reconnaissance, trois doigts de zinc par monomère de NDZ suffisent pour reconnaître spécifiquement un locus particulier dans un génome complexe. Plusieurs stratégies différentes ont été développées pour produire des doigts de zinc Cys2His2 qui se lient aux séquences désirées. Ces méthodes comprennent à la fois l'assemblage modulaire (voir ci-dessous) et des stratégies de sélection telles que l'affichage du phage, les systèmes hybrides Yeast-1, le système hybride bactérien, le système hybride bactérien ou les systèmes de sélection cellulaire.

Le moyen le plus simple de créer de nouveaux réseaux de doigts de zinc consiste à combiner des doigts de zinc de spécificité connue. Le processus d'assemblage modulaire le plus courant consiste à associer trois doigts de zinc différents, chacun détectant 3 pb, à un nouveau réseau de doigts de zinc reconnaissant 9 pb. Le principal inconvénient de cette méthode est que la spécificité d'un doigt de zinc peut changer en fonction du doigt de zinc voisin dans la matrice, ce qui explique pourquoi les stratégies de sélection "dépendant du contexte" produisent généralement des matrices de doigts de zinc plus spécifiques.

En rapport avec "nucléase"

• désoxyribonucléase

  

  Une désoxyribonucléase est une enzyme qui catalyse l'hydrolyse des chaînes moléculaires d'acide désoxyribonucléique (ADN) en chaînes moléculaires plus courtes...

• endonucléase

  

  Une endonucléase est une nucléase qui se passe à l'intérieur, en dedans, par hydrolysation. Les endonucléases sont des enzymes qui catalysent la dégradation...

• exonucléase

  

  L'exonucléase distingue la partie qui est au-dehors de la nucléase. Les exonucléases sont des enzymes qui fonctionnent en coupant les nucléotides...

• ribonucléase

  

  Une ribonucléase, également appelée RNase, est une enzyme hydrolase qui catalyse la rupture des liaisons phosphodiester des ARN.