DNASE1

Desoxyribonuklease I, üblicherweise als DNase I bezeichnet, ist eine spezifische DNA-Endonuklease, bestehend aus einer einzelnen glykosylierten Polypeptidkette mit zwei Disulfidbrücken, und wird durch das humane Gen DNASE1 kodiert. Der optimale pH-Wert von DNase I liegt bei etwa 7,5. Die Aktivität und strukturelle Integrität von DNase I ist von zweiwertigen Kationen abhängig: Mg²⁺ oder Mn²⁺ aktivieren DNase I, und Ca²⁺ ist erforderlich, um die volle DNase-I-Aktivität zu entfalten. DNase I bindet mit sehr hoher (subnanomolarer) Affinität an Aktinmonomere und mit geringerer Affinität an Aktinpolymere; beides kann die aktin-gebundene DNase I inaktivieren. Der DNase-Aktin-Komplex könnte hierbei eine effektive Speicherform von DNase I darstellen, die Schäden an der genetischen Information begrenzt. Im Allgemeinen wird DNase I in den Zymogengranula der Kernhülle gespeichert.

Genomik

In der Genomik wird angenommen, dass DNase-I-hypersensitive Stellen durch offenes, zugängliches Chromatin gekennzeichnet sind, und es wurde gezeigt, dass sie zahlreiche unterschiedliche Typen genetischer regulatorischer Elemente markieren können, darunter Enhancer, Promotoren, Insulatoren, Silencer, Locus-Control-Regionen sowie Histonmodifikationen. Folglich wird der DNase-I-Sensitivitätsassay in der Genomik breit eingesetzt, um Regionen des Genoms zu identifizieren, die aktive Gene enthalten könnten. Die Sequenz von DNase I ist evolutionär mit der des humanen muskelspezifischen DNase-ähnlichen Proteins sowie der humanen Proteine DHP1 und DHP2 verwandt, wobei die erste Disulfidbrücke von DNase I nicht konserviert ist. Alternative transkriptionelle Spleißvarianten von DNASE1 wurden beobachtet, sind jedoch nicht umfassend charakterisiert.

Spezifität

Kürzlich wurde berichtet, dass DNase I ein gewisses Maß an Sequenzspezifität aufweist, das von den experimentellen Bedingungen abhängen kann. Im Gegensatz zu anderen Enzymen mit hoher Substratspezifität kann DNase I jedoch nicht mit absoluter Sequenzspezifität wirken. Allerdings ist die Spaltung an Stellen, die am 3'-Ende C oder G enthalten, weniger effizient. DNase I zeigt eine Präferenz für die Spaltung auf der 5'-Seite von Pyrimidinen, was insbesondere in alternierenden Copolymeren ausgeprägt ist. Es wurde gezeigt, dass DNase I Variationen des Twist-Winkels erkennt. Die Spezifität von DNase I hängt zudem von den vorhandenen zweiwertigen Kationen ab. Das Vorhandensein von Ca²⁺ und Mg²⁺ führt zu Einzelstrangbrüchen, während das Auftreten von Mn²⁺ mit Doppelstrangbrüchen in Zusammenhang stehen kann.

Wirkmechanismus

DNase I verdaut unspezifisch Phosphodiesterbindungen neben einem Pyrimidin-Nukleotid und erzeugt dabei Oligonukleotid-, Trinukleotid- oder Dinukleotidfragmente mit 5'-phosphorylierten und 3'-hydroxylierten Enden. Sie kann einzel- und doppelsträngige DNA sowie DNA-RNA-Hybride endonukleolytisch spalten. DNase I verursacht Einzelstrang-Nicks in doppelsträngiger DNA, wenn eine Protonenakzeptor-Donor-Kette, die eine Glutaminsäure und ein Histidin enthält, ein nukleophiles Hydroxidion erzeugt, um die 3'-P-O-Bindung zu spalten. Sie erleichtert zudem den Abbau von Chromatin während der Apoptose. DNase I wird normalerweise aus der Zelle sezerniert, kann jedoch wahrscheinlich in den Zellkern gelangen, wo sie im Zusammenhang mit Apoptose den programmierten Zelltod induziert. Die Wirkweise von DNase I ist weder basen- noch sequenzspezifisch; das Spaltmuster und die Schnittfrequenz sind jedoch eindeutig sequenzabhängig, was zeigt, dass DNase I Variationen in der Geometrie des DNA-Rückgrats erkennen kann. DNase I wirkt außerdem mit einer Rate, die stark von ihrer Chromatinumgebung abhängt.

Abbildung 1. Katalytischer Mechanismus der DNase I.

Funktionen

DNase I wird üblicherweise in Protokollen zur Gewebedissoziation eingesetzt, um DNA zu verdauen, die infolge von Zellschädigung in die Zellkultur ausgetreten ist. DNase I wird zudem zur Entfernung membrangebundenen DNA-Fragmenten verwendet. Neben ihrer Rolle als „Abfallmanagement“-Endonuklease wird DNase I als verantwortlich für die DNA-Fragmentierung während der Apoptose diskutiert. Die Verdauung humaner Gewebe wie Knorpel, Mikroglia, Epithel, Kolon, Lunge, Leber sowie neuraler Zellen und Stammzellen kann unter Einsatz von DNase I durchgeführt werden. Aktive DNase I ist entscheidend, um eine Immunstimulation zu verhindern; eine verminderte Abbaukapazität kann das Risiko für die Bildung von Anti-Nukleosom-Antikörpern erhöhen, was auf die Entwicklung eines systemischen Lupus erythematodes hinweist. Die Bildung eines Komplexes mit G-Aktin führt zur Hemmung der DNase-Aktivität und zum Verlust der Fähigkeit von G-Aktin, zu Fasern zu polymerisieren. DNase I wurde zur Kontrolle pulmonaler Probleme bei Patientinnen und Patienten mit zystischer Fibrose eingesetzt, indem DNA in eitrigen Lungensekreten abgebaut wird, um die Viskosität zu reduzieren und die Atmung zu erleichtern. Eine transiente Myokardischämie während einer perkutanen Koronarintervention kann einen ausgeprägten Anstieg der Serum-DNase-I-Aktivität induzieren, was als sensitiver Indikator für den Nachweis einer transienten Myokardischämie von Nutzen sein kann. Zudem ist bemerkenswert, dass der Einsatz einer Säuger-DNase die Limitationen der Immunotoxintherapie überwinden könnte, mit geringerer Toxizität und geringerer Immunogenität als derzeit verfügbare Immunotoxine.

Referenz