تتطلب جميع أشكال الحياة إنزيمات معالجة الحمض النووي لتنفيذ العمليات الحيوية الأساسية، بما في ذلك التضاعف والنسخ وإصلاح الحمض النووي (DNA). الوظائف الأنزيمية الرئيسية لهذه المسارات هي البلمرة ، التي تولد نسخا من جزيئات الحمض النووي الريبي / الحمض النووي ، والأربطة التي تنضم إلى ركائز عديد النوكليوتيد ، والنيوكليازات التي تحللها ، واللوليكات و topoisomerases ، التي تذوب دوبلكس الحمض النووي أو تغير طوبولوجيتها1،2،3،4،5،6،7،8،9،10. بالإضافة إلى ذلك ، توفر العديد من هذه الإنزيمات أدوات جزيئية أساسية لتطبيقات مثل الاستنساخ والتشخيص والتسلسل عالي الإنتاجية11،12،13،14،15.
يمكن تحديد الخصائص الوظيفية والحركية وخصائص الركيزة لهذه الإنزيمات باستخدام ركائز الحمض النووي / الحمض النووي الريبي المسماة التي تنتجها قلة النيوكليوتيدات التلدين. تم تحقيق ركائز التتبع والمنتجات تقليديا من خلال إدخال ملصق مشع (32P) إما في نهاية الشريط 5 بوصات ، والذي يمكن اكتشافه بعد ذلك بواسطة فيلم فوتوغرافي أو باستخدام نظام تصوير الفوسفور16,17. في حين أن الركائز ذات العلامات الإشعاعية توفر ميزة زيادة الحساسية التجريبية ولا تغير الخواص الكيميائية للنيوكليوتيد ، فإن المخاطر الصحية المحتملة من العمل مع النظائر المشعة شجعت على تطوير وسم الحمض النووي غير المشع لتوفير بديل أكثر أمانا للكشف عن الحمض النووي والحمض النووي الريبي18،19،20. من بين هؤلاء ، يبرز الكشف عن التألق ، بما في ذلك الكشف المباشر عن التألق ، والتألق الذي تم حله بمرور الوقت ، ومقايسات التبريد لنقل الطاقة / التألق باعتباره الأكثر تنوعا21،22،23،24. تتيح المجموعة الواسعة من الفلوروفورات تصميمات مختلفة لركائز الحمض النووي / الحمض النووي الريبي التي تتميز بمراسلين فريدين على كل قليل النوكليوتيد25. بالإضافة إلى ذلك ، فإن استقرار الفلوروفورات ، عند مقارنته بالنظائر المشعة ، يسمح للمستخدمين بإنتاج والحفاظ على كميات كبيرة من ركائز الحمض النووي الموسومة بالفلورسنت19. يمكن تحضين هذه الركائز ذات العلامات الفلوروفور بالبروتين محل الاهتمام ، جنبا إلى جنب مع مجموعات مختلفة من العوامل المساعدة للمعادن والنيوكليوتيدات ، لتحليل نشاط الارتباط و / أو الإنزيم. يمكن ملاحظة تصور الارتباط أو النشاط باستخدام قنوات صبغة الفلوروفور المختلفة مع نظام تصوير هلام. نظرا لأن قليل النيوكليوتيدات المسمى بالفلورسنت فقط سيكون مرئيا باستخدام هذه التقنية ، فإن أي زيادة أو نقصان في حجم قليل النوكليوتيد المسمى سيكون من السهل متابعته. يمكن أيضا تلطيخ المواد الهلامية بعد ذلك ، باستخدام أصباغ تلطيخ الحمض النووي لتصور جميع أشرطة الحمض النووي الموجودة على الجل.
أربطة الحمض النووي المتعددة هي إنزيمات تنضم إلى شظايا الحمض النووي / الحمض النووي الريبي ، وتحفز ختم الفواصل عن طريق تكوين رابطة فوسفاتية ثنائية الإستر بين ترميني الحمض النووي المفسفر 5 بوصات و 3 'OH من الحمض النووي. يمكن تقسيمها إلى مجموعتين وفقا لمتطلبات ركيزة النوكليوتيدات. تم العثور على الأربطة المعتمدة على NAD المحفوظة بشكل كبير في جميع البكتيريا26 بينما يمكن تحديد الإنزيمات المتنوعة هيكليا المعتمدة على ATP من خلال جميع مجالات الحياة 8,27. تلعب أربطة الحمض النووي دورا مهما في معالجة شظايا أوكازاكي أثناء النسخ المتماثل بالإضافة إلى مشاركتها في مسارات إصلاح الحمض النووي المختلفة ، مثل إصلاح النوكليوتيدات واستئصال القاعدة ، من خلال ختم النكات والخدوش التلقائية التي تترك بعد الإصلاح 8,10. تظهر أربطة الحمض النووي المختلفة قدرات متفاوتة على الانضمام إلى المطابقات المختلفة لفواصل الحمض النووي ، بما في ذلك الشقوق في دوبلكس ، وفواصل مزدوجة تقطعت بهم السبل ، وعدم تطابق ، وفجوات ، بالإضافة إلى هجين الحمض النووي الريبيوالحمض النووي 28،29،30. يمكن تجميع مجموعة متنوعة من الركائز القابلة للربط عن طريق تلدين قليل النوكليوتيدات مع فوسفات 5 'لتوليد 5' و 3' تيرميني جنبا إلى جنب في حمض نووي مزدوج31،32،33. الطريقة الأكثر شيوعا للتحليل هي الدقة بواسطة urea PAGE في تنسيق فحص نقطة النهاية. ومع ذلك ، فقد تضمنت الابتكارات الحديثة استخدام الرحلان الكهربائي للهلام الشعري ، والذي يسمح بإنتاجية عالية34 ، والتنميط الطيفيالكتلي 35 ، بالإضافة إلى مقايسة منارة جزيئية متجانسة ، والتي تسمح بالمراقبة التي تم حلهابمرور الوقت 36.
الخطوة الأولى في تفاعل الربط هي أدينيل إنزيم الليجاز بواسطة أدينوسين ثلاثي الفوسفات (ATP) أو نيكوتيناميد الأدينين ثنائي النوكليوتيد (NAD) ، مما ينتج عنه إنزيم تساهمي وسيط. الخطوة الثانية في التفاعل هي أدينيل ركيزة الحمض النووي على الطرف 5' من موقع النيك ، والذي يتبعه ربط خيوط الحمض النووي. يتم تنقية العديد من إنزيمات الليغاز التي يتم التعبير عنها بشكل مؤتلف في الإشريكية القولونية في شكل الأدينيل ، وبالتالي ، فهي قادرة على ربط الأحماض النووية بنجاح دون إضافة عامل مساعد نيوكليوتيد. وهذا يجعل من الصعب تحديد نوع العامل المساعد للنيوكليوتيدات الذي تحتاجه لربط الأحماض النووية. بالإضافة إلى وصف المقايسات لتقييم نشاط ربط الحمض النووي ، يتم أيضا تقديم طريقة لتحديد استخدام العامل المساعد بشكل موثوق عن طريق إزالة أدينيل الإنزيم باستخدام ركائز غير مصنفة.
النيوكليازات هي مجموعة كبيرة ومتنوعة من الإنزيمات المعدلة للحمض النووي / الحمض النووي الريبي والحمض النووي الريبي التحفيزي الذي يشق روابط الفوسفاتيستر بين الأحماض النووية37. وظائف إنزيم النيوكلياز مطلوبة في تكرار الحمض النووي وإصلاحه ومعالجة الحمض النووي الريبي ويمكن تصنيفها حسب خصوصية السكر للحمض النووي أو الحمض النووي الريبي أو كليهما. تحلل النوكليازات الداخلية روابط ثنائي الإستر الفوسفاتية داخل شريط الحمض النووي / الحمض النووي الريبي ، بينما تحلل إكسونوكلياز الحمض النووي / الحمض النووي الريبي نيوكليوتيد واحد في كل مرة من الطرف 3 'أو 5' وقد تفعل ذلك إما من 3' إلى 5' أو 5' إلى 3' نهاية الحمض النووي38.
في حين أن العديد من بروتينات النيوكلياز غير محددة وقد تشارك في عمليات متعددة ، فإن البعض الآخر محدد للغاية لتسلسل معين أو تلف الحمض النووي6،39،40. تستخدم النيوكليازات الخاصة بالتسلسل في مجموعة واسعة من تطبيقات التكنولوجيا الحيوية ، مثل الاستنساخ ، والطفرات ، وتحرير الجينوم. النيوكليازات الشائعة لهذه التطبيقات هي نيوكليازات التقييد41 ، نيوكليازات إصبع الزنك42 ، نيوكليازات المستجيب الشبيهة بالمنشط النسخي ، ومؤخرا ، نيوكليازات كريسبر43 الموجهة بالحمض النووي الريبي. تم تحديد النيوكليازات الخاصة بالضرر مؤخرا ، مثل EndoMS nuclease ، والتي تتميز بخصوصية عدم التطابق في الحمض النووي من خلال مجال النيوكلياز الشبيه ب RecB الخاص بعدم التطابق 5,44. تم إجراء فحوصات نشاط النيوكلياز ، تاريخيا ، كمقايسات متقطعة مع ركائز مشعة. ومع ذلك ، بالإضافة إلى عيوبها الأخرى ، لا تسمح هذه بتحديد الموقع الذي يتم قطعه بواسطة بروتين nuclease ، وهو أمر ممكن عند استخدام ركائز تحمل علامة الفلورسنت45,46. في الآونة الأخيرة ، تم تطوير مقايسات النيوكلياز المستمرة التي تعمل باستخدام أصباغ الحمض النووي المختلفة التي تتفاعل مع الحمض النووي في حالات مختلفة. على سبيل المثال ، إصدار إشارة فلورية أعلى عند التفاعل مع dsDNA مقارنة بحالته غير المنضمة ، أو الارتباط على وجه التحديد بالحمض النووي الريبي القصير47. تستخدم فحوصات النيوكلياز المستمرة الأخرى دبابيس شعر الحمض النووي مع مجموعة الفلوروفور على 5 'وإخماد في الطرف 3' بحيث يزداد التألق مع تحلل قليل النوكليوتيد بسبب فصل الفلوروفور والمروي48. في حين أن هذه المقايسات تسمح للمرء بتوصيف حركية البروتينات المهينة للحمض النووي ، فإنها تتطلب معرفة سابقة بوظيفة الإنزيم والركيزة وتقتصر أيضا على الإنزيمات التي تغير شكل الحمض النووي لإحداث اختلاف في ارتباط الصبغة. لهذا السبب ، لا تزال فحوصات نقطة النهاية التي تحل منتجات النيوكلياز الفردية مرغوبة لتوفير نظرة ثاقبة لتعديلات الحمض النووي الناتجة عن نشاط البروتين.
هنا ، يتم تقديم إجراء مفصل لتصميم قليل النيوكليوتيدات ذات العلامات الفلورية DNA / RNA والتي يمكن خلطها ومطابقتها لتوليد ركائز لاختبار نشاط إنزيمات النيوكلياز والبلمرة والليجاز الجديدة. إن التحقق من صحة هذه المجموعة الأساسية من تسلسل قليل النوكليوتيد يبسط التصميم التجريبي ويسهل التنميط الاقتصادي لمجموعة واسعة من الوظائف الأنزيمية دون الحاجة إلى شراء عدد كبير من الركائز المخصصة. يتم توفير إجراء مفصل لتشغيل مقايسة إنزيم معالجة الحمض النووي القياسية مع هذه الركائز ، باستخدام مثال نشاط ربط الحمض النووي والتعديلات لفحص وتحليل إنزيمات النيوكلياز والبلمرة. بالإضافة إلى ذلك ، يتم إعطاء اختبار معدل لتحديد خصوصية العامل المساعد لإنزيم ربط الحمض النووي بدقة عالية ، وتستخدم مجسات مزدوجة العلامات لتقييم تجميع الروابط متعددة المكونات. أخيرا ، تتم مناقشة التعديلات على تنسيق الفحص الأساسي للسماح باستخدامه لتحديد تفاعلات البروتين والحمض النووي مع نفس الركائز بواسطة مقايسة تحول الحركة الكهربية (EMSA).