Exonucleasa

Las exonucleasas son enzimas que actúan escindiendo los nucleótidos uno a uno desde el extremo (exo) de una cadena de polinucleótidos. Se produce una reacción de hidrólisis que rompe los enlaces fosfodiéster en el extremo 3′ o 5′ . Su pariente cercano es la endonucleasa , que escinde los enlaces fosfodiéster en la parte central (endo) de una cadena de polinucleótidos. Los eucariotas y procariotas poseen tres tipos de exonucleasas implicadas en el recambio normal del ARNm : la exonucleasa 5′ a 3′ (Xrn1) , una proteína de descapuchamiento dependiente ; la exonucleasa 3′ a 5′, una proteína independiente; y la exonucleasa 3′ a 5′ específica de poli(A). ^{[ 1 ] [ 2 ]}

Tanto en arqueas como en eucariotas , una de las principales vías de degradación del ARN la lleva a cabo el complejo multiproteico del exosoma, que consta en gran parte de exorribonucleasas de 3′ a 5′ .

Se sabe que la ARN polimerasa II interviene durante la terminación de la transcripción; trabaja con una exonucleasa 5' (gen humano Xrn2) para degradar el transcrito recién formado corriente abajo, dejando el sitio de poliadenilación y, simultáneamente, eliminando la polimerasa. Este proceso implica que la exonucleasa alcance a la polimerasa II y termine la transcripción. ^{[ 3 ]}

La ADN polimerasa I sintetiza nucleótidos de ADN en lugar del cebador de ARN que acaba de eliminar. Además, posee actividad exonucleasa de 3' a 5' y de 5' a 3', la cual se utiliza para corregir errores en el ADN. La actividad de 3' a 5' solo puede eliminar un mononucleótido a la vez, mientras que la actividad de 5' a 3' puede eliminar mononucleótidos o hasta 10 nucleótidos a la vez.

En 1971, Lehman IR descubrió la exonucleasa I en E. coli . Desde entonces, se han realizado numerosos descubrimientos, entre ellos: exonucleasa II, III , IV, V , VI, VII y VIII. Cada tipo de exonucleasa tiene una función o requisito específico. ^{[ 4 ]}

La exonucleasa I rompe el ADN monocatenario en dirección 3' → 5', liberando desoxirribonucleósido 5'-monofosfatos uno tras otro. No corta las cadenas de ADN sin grupos 3'-OH terminales porque están bloqueados por grupos fosforilo o acetilo. ^{[ 5 ]}

La exonucleasa II está asociada con la ADN polimerasa I, que contiene una exonucleasa 5' que corta el cebador de ARN contenido inmediatamente corriente arriba del sitio de síntesis de ADN de manera 5' → 3'.

La exonucleasa III tiene cuatro actividades catalíticas:

• Actividad exodesoxirribonucleasa 3' a 5', que es específica para el ADN de doble cadena.
• actividad de la RNasa
• Actividad de la fosfatasa 3'
• Actividad de la endonucleasa AP (que más tarde se denominó endonucleasa II). ^{[ 6 ]}

La exonucleasa IV añade una molécula de agua, lo que le permite romper el enlace entre un oligonucleótido y el nucleósido 5' monofosfato. Esta exonucleasa requiere Mg²⁺ para funcionar y opera a temperaturas más elevadas que la exonucleasa I. ^{[ 7 ]}

La exonucleasa V es una enzima hidrolítica de 3' a 5' que cataliza el ADN lineal de doble cadena y el ADN de cadena simple, lo que requiere Ca2+ . ^{[ 8 ]} Esta enzima es extremadamente importante en el proceso de recombinación homóloga .

La exonucleasa VIII es una proteína dimérica de 5' a 3' que no requiere ATP ni huecos o muescas en la cadena, pero requiere un grupo 5' OH libre para llevar a cabo su función .

En Escherichia coli, el gen dnaQ codifica la subunidad ε de la ADN polimerasa III. ^{[ 9 ]} La subunidad ε es una de las tres proteínas centrales del complejo de la ADN polimerasa. Actúa como una exonucleasa de corrección de pruebas dirigida al ADN en dirección 3'→5' que elimina las bases incorporadas incorrectamente durante la replicación. ^{[ 10 ]} De manera similar, en la bacteria Salmonella typhimurium , la función de edición 3' a 5' empleada durante la replicación del ADN también está codificada por un gen, dnaQ , que especifica una subunidad exonucleasa 3' a 5', una de las tres proteínas centrales codificadas por separado de la holoenzima de la ADN polimerasa III. ^{[ 11 ]}

A diferencia de E. coli y S. typhimurium , donde las funciones de polimerasa y edición están codificadas por genes separados, en la especie bacteriana Buchnera aphidicola la ADN polimerasa codificada por el gen ADN III (polC) contiene dominios tanto de ADN polimerasa como de exonucleasa 3' a 5'. ^{[ 11 ]} Una divergencia evolutiva (hace aproximadamente 0,25 a 1,2 mil millones de años) parece haber estado asociada con la separación de la función del gen de la ADN polimerasa de la función del gen de edición de exonucleasa 3' a 5' en el linaje que condujo a E. coli y S. typhimurium . ^{[ 11 ]}

Se sabe que la endonucleasa humana de tipo 3' a 5' es esencial para el procesamiento adecuado del pre-ARNm de histonas, en el que la snRNP U7 dirige el proceso de escisión simple. Tras la eliminación del producto de escisión corriente abajo (DCP), Xrn1 continúa degradando el producto hasta su completa degradación. ^{[ 12 ]} Esto permite el reciclaje de los nucleótidos. Xrn1 está vinculada a una actividad de escisión cotranscripcional (CoTC) que actúa como precursora para desarrollar un extremo 5' libre y desprotegido, de modo que la exonucleasa pueda eliminar y degradar el producto de escisión corriente abajo (DCP). Esto inicia la terminación de la transcripción, ya que no se desea que se acumulen cadenas de ADN o ARN en el organismo. ^{[ 13 ]}

CCR4-Not es un complejo regulador de la transcripción general en la levadura en gemación que se ha encontrado asociado con el metabolismo del ARNm , la iniciación de la transcripción y la degradación del ARNm. Se ha encontrado que CCR4 contiene actividades exonucleasas de ARN y ADN monocatenario de 3' a 5'. ^{[ 14 ]} Otro componente asociado con CCR4-Not es la proteína CAF1, que se ha encontrado que contiene dominios exonucleasa de 3' a 5' o de 5' a 3' en el ratón y Caenorhabditis elegans . ^{[ 15 ]} Esta proteína no se ha encontrado en la levadura, lo que sugiere que es probable que tenga un dominio exonucleasa anormal como el que se ve en un metazoo. ^{[ 16 ]} La levadura contiene las exonucleasas Rat1 y Xrn1. Rat1 funciona igual que el tipo humano (Xrn2) y la función de Xrn1 en el citoplasma es en la dirección 5' a 3' para degradar los ARN (ARNr pre-5.8s y 25s) en ausencia de Rat1. ^{[ 17 ] [ 18 ]}

En los betacoronavirus , incluido el SARS-CoV-2 , una exonucleasa de corrección de pruebas, nsp14-ExoN, que forma parte del genoma viral, es responsable de la recombinación que está implicada en la aparición de nuevas cepas. ^{[ 19 ]}

• Exonucleasas en los encabezamientos de materias médicas (MeSH) de la Biblioteca Nacional de Medicina de EE. UU.