Helikas

Helikas är en grupp av enzymer som är funktionell för alla levande organismer. De är motorproteiner som rör sig längs nukleinsyrors fosfodiester-ryggrad, separerande två sammanlänkade strängar (exempelvis hos DNA, RNA eller DNA-RNA-hybrid), och öppnar på så vis upp helix-strukturen. Cirka 1 % av eukaryotiska gener kodar for helikaser. Det mänskliga genomet kodar för 95 icke-redundanta helikaser: 64 RNA helikaser och 31 DNA helikaser. Många cellulära processer såsom DNA replikation, transkription, translation, rekombination, DNA reparation och syntetisering av risobomer, använder sig av helikaser för att kunna separera nukleinsyrasträngar.

Funktion

Helikas används ofta för att separera dubbelsträngade DNA-molekyler eller ihopkopplade RNA molekyler genom att använda energin från ATP-hydrolys, vilket är en process där vätebindningar mellan kopplade nukleotidbaser bryts. På andra sidan, helikas eliminerar nykleinsyror-associerade proteiner och katalyserar DNA homolog rekombinationen. RNA-splitsning, RNA-transport, RNA-editering och RNA-degradering faciliteras även av helikaser. Helikaser rör sig stegvis längs en nukleiksyrasträng med en viss riktning och processivitet, specifika för varje särskild enzym.

Helikaser har olika strukturer och oligomerisering tillstånd. Medan DnaB-liknande helikaser separerar DNA-molekyler som munkformade hexamerer, andra helikaser är aktiva som monomer eller dimerer. Studier visar att helikas är passiv och väntar på att kunna separera nukleinsyrasträngar och är aktiv då den tvingar strängarna att öppnas. Helikas arbete sker mycket fortare in vivo än in vitro på grund av att det finns andra proteiner som hjälper till att destabilisera replikationsgaffelns delningspunkt.

Aktiveringsbarriär i helikasaktivitet

Enzymatisk helikasaktivitet såsom separationen av nukleinsyrasträngar uppnås genom att sänka aktiveringsbarriär (B) av varje specifik mekanism. Aktiveringen av barriären är ett resultat av olika faktorer, och kan definieras med hjälp av följande ekvationen:

B=N(ΔG_bp-G_int-G_f)

Där N är antal kopplade baspar (bps), ΔG_bp är den fria energin som frigörs då basparer bildas, G_int är minskning av den fria energin på grund av helikas och Gf är minskning an den fria energin på grund av isärdragna krafter.

Faktorer som kan bidra till höjning av aktiveringsbarriären kan vara: Molekylens specifika nukleinsyra sekvenser, antalet baspar involverade, spänningen närvarande på replikationsgaffeln och destabiliserande krafter.

Aktiva och passiva helikaser

Helikas klassificeras som aktiv eller passiv beroende på storleken av aktiveringsbarriären som helikas måste överkomma. I passiva helikases, en signifikant aktiveringsbarriär existerar (definieras av B > K_bT, där K_b är Boltzmanns konstant och T är systemets temperatur).

Historien om DNA-helikas

DNA-helikaser uppfanns i E.coli 1976. Denna sorts helikas beskrevs som en DNA-separationsenzym som verkade denaturera DNA-duplexer under ATP-beroende reaktioner. Den första eukaryotiska DNA-helikasen uppfanns 1978 i Lilyväxten. Sedan dess har DNA helikaser har uppfunnits och isolerats från andra bakterier, virus, jäst, flugor och högre eukaryoter. Fram till idag har åtminstone 14 olika helikaser blivit isolerade från encelliga organismer, 6 helikaser från bakteriofager, 12 från viruser, 15 från jäst, 8 från växter, 11 från kalvthymus och cirka 25 helikaser har isolerats från människoceller. Nedan följer helikasupptäckternas historia:

1976 - Uppfinning och isolering av DNA helikas från E-coli.
1978 - Uppfinning av den första eukaryotiska DNA-helikasen, isolerad från Lilyväxten.
1982 - "T4 gen 41 protein" är den första rapporterade DNA-helikasen från bakteriofag.
1985 - Den första däggdjurs-DNA-helikasen isolerad från kalvthymus.
1986 - SV40 stor tumörantigen rapporterades som en viral helikas.
1986 - Uppfinning av 7 konservativa aminosyradomänen, karakteriserade som helikasmotiv.
1988 - ATPassell, jästprotein, karakteriserades som en DNA-helikas.
1989 - Identifiering av "DEAD box helicase family".
1990 - Isolering av DNA-helikas från människan.
1992 - Isolering av den första rapporterade mitokondrial-DNA-helikasen.
1996 - Uppfinning av den första purifierade kloroplast DNA helikas från ärta.
2002 - Isolering och karakterisering av den första DNA-helikasen från malariaparasiten Plasmodium cynomolgi.

Struktur

Helikaser karakteriseras för sin aminosyrasekvenshomologi som består av sekvensmotiv belägna i det inre av deras primärstruktur. Denna är involverad i ATP-bindning, ATP-hydrolys och förflyttning längs nukleinsyrasubstrat. Den varierande delen av aminosyrasekvensen är relaterad till de specifika egenskaperna hos varje helikas.

Superfamiljer

Helikaser klassificeras i sex grupper (superfamiljer) baserat på deras gemensamma sekvensmotiv. Superfamiljer 1 och 2 består av helikaser som inte bildar en ringstruktur. Superfamiljer 3 till 6 består av helikaser som bildar en ringstruktur. Helikaser kan också klassificeras som α eller β beroende på om de agerar med enkelsträngat eller dubbelsträngat DNA; α helikaser arbetar med enkelsträngat DNA medan β helikaser arbetar med dubbelsträngat DNA. Klassificering av helikaser sker även beroende på deras translokations polaritet. Om translokationen sker 3'-5' då klassificeras helikas som typ-A; om translokationen sker 5'-3' så klassificeras helikas som typ-B.

Superfamilj 1 (SF1): Denna familj kan delas i två subgrupper: SF1A och SF1B helikaser. I denna grupp kan helikaser antingen ha 3'-5' (SF1A subfamilj) eller 5'-3' (SF1B subfamilj) translokations polaritet. De mest kända SF1A helikaser är Rep och UvD som finns i gram-negativa bakterier och PcrA helikaser som finns i gram-positiva bakterier. De mest kända helikaser i SF1B gruppen är RecD och Dda helikaser.
Superfamilj 2 (SF2): Denna grupp är den största guppen av helikaser involverade i olika cellulära processer. De karakteriseras för sina nie konservativa sekvensmotiv: Q, I, Ia, Ib och II via VI. Denna grupp består huvudsakligen av DEAD-box RNA helikaser. Andra helikaser inkluderade i SF2 är RecQ-liknande familj och Snf2-liknande enzymer. Majoriteten av SF2 helikaser är av typ-A med några få undantag såsom XPD familjen.
Superfamilj 3 (SF3): Denna superfamilj 3 består av helikaser som är främst kodade av små DNA-virus och några stora nucleocytoplasmatisk DNA-viruser. De har en 3'-5' translokations riktning, vilket innebär att alla de är typ-A helikaser. Den mest kända SF3 helikasen är papillomvirus E1 helikas.
Superfamilj 4 (SF4): Alla helikaser i SF4 familjen har en typ-B polaritet (5'-3'). Den mest studerade helikas är gp4 från bakterofagen T7.
Superfamilj 5 (SF5): Rho proteiner är inkluderade i SF5 gruppen.
Superfamilj 6 (SF6): Helikaser i denna grupp innehåller motiv AAA+ son inte ingår i SF3 klassificering. Vissa proteiner i SF6 gruppen är: "Mini chromosome maintenance complex (MCM)", RuvB, RuvA och RuvC.

Helikas störningar och sjukdomar

ATRX helikas mutationer

ATRX genen kodar för ATP-beroende helikaser, ATRX (även känd som XH" och XNP) i SNF2 subgruppen, ansvarar sig för funktioner som kromatin remodellering, regulation av genen och DNA metylering. Dessa funktioner hjälper till att förebygga apoptosis, vilket resulterar i regleringen av den kortikala storleken. De hjälper även till hyppocampus överlevnad och kortikala strukturer som påverkar minne och inlärning. ATRX helikas befinner sig på X-kromosomen (Xq13.1-Q21 0,1), i pericentromera heterokromatin protein 1. Studier har visat att ATRX helikas spelar stor roll i rDNA metylering och är väsentlig för den embryonala utvecklingen. Mutationer har hittats i hela ATRX proteinet; 90 % av dessa är belägna i zinkfinger och helikas domäner. Mutationer i ATRX helikas kan resultera i X-bunden-alpha-talassemi-mental retardation (ATRX-X syndrom).

Olika typer av mutationer funna i ATRX associeras med ATR-X, inklusive de vanligaste "single-base missense" mutation och nonsens, "frameshift" och deletionsmutationer. Kännetecken för ATR-X är: Mikrocefali, skeletts och ansiktes abnormaliteter, mental retardation, genitala abnormaliteter, kramper, begränsad språkanvändning, begränsad språkförmåga och alpha-thalassemia. Den fenotypen som syns i ATR-X antyder att mutationen i ATRX gen orsakar nedregleringen av gen uttryck, såsom alpha-globin gener. Det är fortfarande okänd vad som orsakar uttrycket av de olika fenotyper av ATR-X i olika patienter.

XPD helikas punktmutation

XPD (Xeroderma pigmentosum faktor D, även känd som ERCC2 protein) är en 5'-3', superfamilj II, ATP-beroende helikas innehållande järn-sulfurklusterdomäner. Ärvda punktmutationer i XPD helikaser har visat sig vara associerade med accelererade åldringsstörningar som Cockayne syndrome (CS) och Trichothiodystrophy (TTD). Cockayne syndrom och Trichothiodystrophy är båda utvecklingsstörningar som involverar UV-ljuskänslighet och för tidigt åldrande. Cockayne syndrom uppvisar svår mental retardation från födelsen. XPD helikas mutation har också visat sig vara involverad i xeroderma pigmentosa (XP), en störning som karakteriseras av UV-ljuskänslighet och resulterar i en ökad risk för utveckling av hudcancer.

XPD är en viktig del av TFIIH-komplex, en transkriptions- och reparationsfaktor.