NUCLÉASES: CARACTÉRISTIQUES, STRUCTURE, TYPES ET FONCTIONS - LA BIOLOGIE - 2025

Les nucléases sont des enzymes responsables de la dégradation des acides nucléiques. Ils le font par hydrolyse des liaisons phosphodiester qui maintiennent les nucléotides ensemble. Pour cette raison, elles sont également connues dans la littérature sous le nom de phosphodiestérases. Ces enzymes se trouvent dans presque toutes les entités biologiques et jouent un rôle fondamental dans la réplication, la réparation et d'autres processus de l'ADN.

En général, on peut les classer en fonction du type d'acides nucléiques qu'ils clivent: les nucléases dont le substrat est l'ARN sont appelées ribonucléases, et celles de l'ADN sont appelées désoxyribonucléases. Il y en a des non spécifiques capables de dégrader à la fois l'ADN et l'ARN.

Liaison phosphodiester. Source: Xvazquez

Une autre classification largement utilisée dépend de l'action de l'enzyme. S'il fait son travail progressivement, en commençant par les extrémités de la chaîne d'acide nucléique, ils sont appelés exonucléases. En revanche, si la rupture se produit à un point intérieur de la chaîne, elles sont appelées endonucléases.

Actuellement, certaines endonucléases sont largement utilisées dans la technologie de l'ADN recombinant dans les laboratoires de biologie moléculaire. Ce sont des outils précieux pour la manipulation expérimentale des acides nucléiques.

caractéristiques

Les nucléases sont des molécules biologiques de nature protéique et à activité enzymatique. Ils sont capables d'hydrolyser les liaisons qui joignent les nucléotides dans les acides nucléiques.

Ils agissent par catalyse acide-base générale. Cette réaction peut être divisée en trois étapes fondamentales: l'attaque nucléophile, la formation d'un intermédiaire chargé négativement et en dernière étape la rupture de la liaison.

Il existe un type d'enzyme appelé polymérases, chargé de catalyser la synthèse de l'ADN (en réplication) et de l'ARN (en transcription). Certains types de polymérases présentent une activité nucléase. Comme les polymérases, d'autres enzymes apparentées présentent également cette activité.

Structure

Les nucléases sont un ensemble extrêmement hétérogène d'enzymes, où il existe peu de relations entre leur structure et leur mécanisme d'action. En d'autres termes, il existe une variation drastique entre la structure de ces enzymes, nous ne pouvons donc citer aucune structure commune à toutes.

Les types

Il existe plusieurs types de nucléases et également différents systèmes pour les classer. Dans cet article, nous aborderons deux systèmes de classification principaux: selon le type d'acide nucléique qu'ils dégradent et selon la manière dont l'enzyme est attaquée.

Si le lecteur est intéressé, il peut rechercher une troisième classification plus étendue basée sur la fonction de chaque nucléase (voir Yang, 2011).

Il est nécessaire de mentionner que des nucléases existent également dans ces systèmes enzymatiques qui ne sont pas spécifiques de leur substrat et peuvent dégrader les deux types d'acides nucléiques.

Selon la spécificité du substrat utilisé

Il existe deux types d'acides nucléiques qui sont pratiquement omniprésents chez les êtres organiques: l'acide désoxyribonucléique, ou ADN, et l'acide ribonucléique, ARN. Les enzymes spécifiques qui dégradent l'ADN sont appelées désoxyribonucléases et ARN, ribonucléases.

Selon la forme d'attaque

Si la chaîne d'acide nucléique est attaquée de manière endolytique, c'est-à-dire dans les régions internes de la chaîne, l'enzyme est appelée endonucléase. L'attaque alternative se produit progressivement à une extrémité de la chaîne et les enzymes qui la réalisent sont des exonucléases. L'action de chaque enzyme entraîne des conséquences différentes.

Puisque les exonucléases séparent les nucléotides étape par étape, les effets sur le substrat ne sont pas très drastiques. Au contraire, l'action des endonucléases est plus prononcée, car elles peuvent couper la chaîne en différents points. Ce dernier peut modifier même la viscosité de la solution d'ADN.

Les exonucléases étaient des éléments cruciaux pour élucider la nature de la liaison qui maintenait les nucléotides ensemble.

La spécificité du site de clivage de l'endonucléase varie. Il existe certains types (comme l'enzyme désoxyribonucléase I) qui peuvent couper sur des sites non spécifiques, générant des coupes relativement aléatoires par rapport à la séquence.

En revanche, nous avons des endonucléases très spécifiques qui ne coupent qu'à certaines séquences. Nous expliquerons plus tard comment les biologistes moléculaires tirent parti de cette propriété.

Certaines nucléases peuvent agir à la fois comme des endo et des exonucléases. Un exemple de ceci est la soi-disant nucléase microconique.

Caractéristiques

Les nucléases catalysent une série de réactions essentielles à la vie. L'activité nucléase est un élément essentiel de la réplication de l'ADN, puisqu'elles aident à éliminer l'amorce ou l'amorce et participent à la correction des erreurs.

De cette manière, deux processus aussi pertinents que la recombinaison et la réparation de l'ADN sont médiés par les nucléases.

Il contribue également à générer des changements structurels de l'ADN, tels que la topoisomérisation et la recombinaison site-spécifique. Pour que tous ces processus aient lieu, une rupture temporaire de la liaison phosphodiester est nécessaire, réalisée par les nucléases.

Dans l'ARN, les nucléases participent également aux processus fondamentaux. Par exemple, dans la maturation du messager et dans le traitement des ARN interférents. De la même manière, ils sont impliqués dans les processus de mort cellulaire programmée ou d'apoptose.

Dans les organismes unicellulaires, les nucléases représentent un système de défense qui leur permet de digérer l'ADN étranger qui pénètre dans la cellule.

Applications: enzymes de restriction

Les biologistes moléculaires profitent de la spécificité de certaines nucléases appelées nucléases de restriction spécifiques. Les biologistes avaient remarqué que les bactéries étaient capables de digérer l'ADN étranger qui avait été introduit par des techniques en laboratoire.

En approfondissant ce phénomène, les scientifiques ont découvert des nucléases de restriction - des enzymes qui coupent l'ADN au niveau de certaines séquences nucléotidiques. Ce sont des sortes de "ciseaux moléculaires" et on les trouve produits pour la vente.

L'ADN des bactéries est «immunisé» contre ce mécanisme, car il est protégé par des modifications chimiques des séquences qui favorisent la dégradation. Chaque espèce et souche de bactéries a ses nucléases spécifiques.

Ces molécules sont très utiles, car elles garantissent que la coupure sera toujours faite au même endroit (4 à 8 nucléotides de longueur). Ils sont appliqués dans la technologie de l'ADN recombinant.

Alternativement, dans certaines procédures de routine (telles que la PCR), la présence de nucléases affecte négativement le processus, car elles digèrent le matériel qui doit être analysé. Pour cette raison, dans certains cas, il est nécessaire d'appliquer des inhibiteurs de ces enzymes.

Références

1. Brown, T. (2011). Introduction à la génétique: une approche moléculaire. Garland Science.
2. Davidson, J., et Adams, RLP (1980). Biochimie des acides nucléiques de Davidson. J'ai inversé.
3. Nishino, T. et Morikawa, K. (2002). Structure et fonction des nucléases dans la réparation de l'ADN: forme, prise et lame des ciseaux à ADN. Oncogène, 21 (58), 9022.
4. Stoddard, BL (2005). Homing endonucléase structure et fonction. Revues trimestrielles de biophysique, 38 (1), 49-95.
5. Yang, W. (2011). Nucléases: diversité de structure, de fonction et de mécanisme. Revues trimestrielles de biophysique, 44 (1), 1-93.