Diploidsus

Diploidsus on liigiomase kromosoomikomplekti kahekordsus indiviidi (raku) kromosoomistikus.

Enamikul taimedel ja loomadel on valdavas osas elutsüklist keharakud diploidsed.

Transformatsioon (geneetika)

Transformatsioon on muutus raku genoomis, mis juhtub vaba, valkude poolt sidumata eksogeense DNA sattumisest väliskeskkonnast läbi rakumembraani rakku, kus see raku enda geneetilise materjaliga liidetakse ja võõrgeeni ekspresseeritakse. Transformatsiooni esineb osal bakteriliikidest looduslikult, kuid seda kasutatakse ka laboratoorselt erinevate molekulaarsete tehnikate käigus. Transformatsioon on üks kolmest protsessist, mille abil bakterirakud geneetilist materjali vahetavad. Teisteks võimalusteks on konjugatsioon, mis esineb kahe bakteri otsesel kokkupuutel, ja transduktsioon, kus eksogeenne materjal viiakse bakterirakku bakteriofaagi abil. Baktereid, kes on võimelised transformeeruma, nimetatakse kompetentideks. Ka teisi rakke peale bakterite on võimalik transformeerida, näiteks taime- ja loomarakke, kuid eelistatum mõiste kirjeldamaks võõra DNA viimist eukarüootsesse rakku on transfektsioon. Loomarakkude puhul välditakse selle protsessi puhul transformatsiooni mõiste kasutamist, sest maliigse transformatsiooni all mõistetakse ka normaalsete rakkude muutumist pahaloomulisteks kasvajarakkudeks, millel pole seost rakuvälise geneetilise materjali sattumisega rakku.

Ajalugu

Esmakordselt demonstreeris transformatsiooni aastal 1928 briti bakterioloog Frederick Griffith, kes uuris kaht Streptococcus pneumoniae tüve. Kui Griffith süstis hiiri ohutu tüve (II-R) bakterite või kuumusega tapetud haigust tekitava tüve (III-S) bakteritega, jäid hiired ellu, kuid nende kahe kombinatsioon osutus hiirtele surmavaks. Surnud hiirte verest õnnestus tal isoleerida mõlema tüve elusaid rakke ning järeldas sellest, et mingi seaduspära järgi on võimalik ühe bakteritüve muundumine teiseks. Tema mõtet arendasid edasi Oswald Avery, Colin MacLeod ja Maclyn McCarty, kes tõestasid aastal 1944, et tegu on geneetilise materjali ülekandega. Kasutades samu tüvesid, isoleerisid nad virulentse tüve DNA ja näitasid, et selle viimisest II-R tüvesse piisab, et kahjutu tüvi samuti virulentseks muutuks, kummutades sellega tol ajal laialt levinud arusaama, et valgud on pärilikkust kandvaks materjaliks. DNA haaramist väliskeskkonnast rakku ja selle arvamist raku enese DNA hulka hakkasid nad nimetama transformatsiooniks. Algul suhtuti nende avastusse küll umbusuga, kuid geneetiliste markerite kasutuselevõtt Joshua Lederbergi avastused teiste geneetilise materjali ülekandeviiside osas (konjugatsioon 1947. ja transduktsioon 1953. aastal) veensid teaduskogukonda Avery tulemusi tunnustama.

Siiski oldi üsna veendunud, et Escherichia coli ei ole transformatsioonialdis. Alles aastal 1970 näitasid Morton Mandel ja Akiko Higa, et kaltsiumkloriidi lahusega töötlemise tagajärjel on E. coli võimeline väliskeskkonnast ilma faagi abita bakteriofaagi DNA-d inkorporeerima. Paar aastat hiljem tõestasid Stanley Cohen, Annie Chang ja Leslie Hsu, et sarnane meetod on efektiivne ka plasmiidse DNA puhul. Mandeli ja Higa meetodit arendas hiljem edasi Douglas Hanahan. Kunstlikult tekitatud kompetentsus E. coli kui laialdaselt kasutatava mudelorganismi puhul pani aluse mugava ja efektiivse metoodika arendamisele bakterite transformeerimiseks, mis võimaldab biotehnoloogias ja teadustöös kasutada varasemast oluliselt lihtsamaid molekulaarse kloonimise võtteid. Praeguseks on transformatsiooni näol tegu igapäevase laboriprotseduuriga.

Transformatsioon elektroporatsiooni teel arendati välja 1980. aastate lõpul, parandades in vitro transformatsiooni efektiivsust ja tekitades võimalusi enamate bakteritüvede transformatsiooniks. Uuriti ka taime- ja loomarakkude transformeerimise võimalusi, mis päädis esimese transgeense hiire loomisega aastal 1982, süstides hiire embrüosse geeni roti kasvuhormooni jaoks. 1970. aastate alguses avastati, et Ti-plasmiid Agrobacterium tumefaciens′i rakkudes on põhjuseks, miks bakter taimedele kasvajaid tekitab. Ti-plasmiid integreerub taime genoomi, kutsudes esile tuumorite teket. Asendades Ti-plasmiidis kasvajat tekitava geeni mõne muu geeniga, on võimalik A. tumefaciens’iga taimi nakatades viia kaheiduleheliste taimede genoomi valitud DNA. Üheiduleheliste ja mõningate teiste A. tumefaciens’i suhtes resistentsete taimede transformatsiooniks kasutatakse elektroporeerimist ning mikroinjektsiooni. Biolistilise meetodi ehk raku pommitamise geneetilise materjaliga kaetud metalliioonidega võttis 1990. aastal kasutusele John Stanford.

Mehhanismid

Bakterid

Bakterite puhul mõistetakse transformatsiooni all püsivat muutust raku genoomis, mida on toonud kaasa vaba DNA haaramine väliskeskkonnast rakku ja kompetentsuse all peetakse silmas võimet vaba DNA-d rakuvälisest keskkonnast rakku võtta. Kompetentsus võib esineda nii looduslikult kui tekkida kunstlikult.

Looduslik kompetentsus

Umbes 1% bakteriliikidest on loomulikult kompetentsed, olles võimelised laborikeskkonnas ilma lisatöötluseta vaba DNA-d oma rakku võtma. On alust arvata, et looduslikus keskkonnas on see protsent suurem. DNA kandumist ühelt bakterilt teisele nimetatakse horisontaalseks geeniülekandeks ehk geneetilise materjali saamiseks teiselt organismilt, olemata selle järglane. Lähedaste liikide vahel toimib transformatsioon paremini kui evolutsiooniliselt kaugemate liikide puhul. Looduslikult kompetentsetes bakterites on olemas geenikomplektid, mis kodeerivad DNA transmembraanseks transpordiks vajalikke valke, näiteks DNA translokaasi komplekse tsütoplasmamembraanis ja tüüp IV piilide kokkupanekuks tarvilikke valke.

Tulenevalt grampositiivsete ja gramnegatiivsete bakterite rakumembraani erinevustest esineb mõningaid erinevusi viisis, kuidas bakterid rakuvälist geneetilist materjali enda sisse toovad, kuid üldjoontes on protsess sarnane. Esmalt seondub DNA kompetentse raku pinnal paiknevale DNA-retseptorile ja liigub DNA translokaasi abil läbi rakumembraani. Selle käigus lagundatakse selle üks ahel nukleaaside poolt, kuna rakku pääseb vaid üheahelaline DNA. Sellist üheahelalist DNA-d on RecA ehk rekombinaas A abil võimalik genoomi integreerida. Gramnegatiivsed bakterid vajavad oma rakuseina mitmekihilise ehituse tõttu valgulist kanalit ka välismembraanis, mille moodustavad sekretiinid. Arvatakse ka, et oma roll on piliinil, kuid selle funktsiooni kohta pole veel kuigi palju teada. DNA transport rakku ei sõltu enamasti selle järjestusest, ent mõne liigi puhul võivad kindlad järjestused rakuvälises DNA-s seda soodustada.

Kunstlik kompetentsus

Kunstliku kompetentsuse tekitamiseks on kaks enamlevinud meetodit: elektroporatsioon ja rakkude manipuleerimine temperatuuri ning soolalahuse abil. Mõlemad neist muudavad rakumembraani DNA-le passiivselt läbitavaks looduses harilikult mitteilmnevate keskkonnategurite mõjul.

Elektroporatsiooni käigus antakse bakterirakke sisaldavale lahusele, kuhu on lisatud soovitav plasmiid, elektrilöök, mis perforeerib rakumembraani, et plasmiidne DNA siseneda saaks. Pärast elektriväljale eksponeerumist parandavad bakteri kaitsemehhanismid rakumembraani defektid taas ära. Tegu on rakusõbralikuma meetodiga kui soolalahuse kasutamine, kuna rakud viibivad kahjustavates tingimustes palju lühemat aega. Kasutatava elektrivälja tugevus jääb tavaliselt vahemikku 10–20 kV/cm.

Keemilisi kompetente hoitakse mõnda aega jää peal kahevalentsete katioonidega soolalahuses, enamasti kaltsiumkloriidi lahuses, misjärel vapustatakse neid kiire lühiajalise kuumutamisega. Arvatakse, et soolalahuse positiivsed ioonid aitavad bakteriraku negatiivse laenguga pinnamolekule neutraliseerida, muutes membraani negatiivselt laetud DNA jaoks paremini läbitavaks. Kuumašokk on vajalik selleks, et tekitada temperatuurierinevus raku sise- ja väliskeskkonnas, mis sunnib DNA läbi kahjustatud membraani rakku sisenema.

Taimed

DNA viimiseks taimedesse on mitmeid mehhanisme. Lihtsaim neist on transformatsioon Agrobacterium tumefaciens’i abil. Selleks lõigatakse taimekude, milleks tavaliselt on leht, väikesteks tükkideks ja leotatakse umbes kümme minutit Agrobacterium’i sisaldavas suspensioonis. Lõikepindade servmised rakud transformeeruvad bakteri mõjul Kui selliselt töödeldud koetükid juurdumise ja võrsekasvu suhtes selektiivsel söötmel üles kasvatada, saadakse geneetiliselt modifitseeritud taimed. Mõnede taimeliikide puhul piisab ka sellest, kui nende õis bakterisuspensiooni kasta ja hiljem seemned selektiivsele söötmele külvata. Paljusid taimeliike selle meetodiga siiski modifitseerida ei saa. Suur osa taimedest on transformeeritavad kulla- või volframiosakestega pommitamise teel. Selleks kaetakse metalliosakesed DNA-ga ning tulistatakse noortesse taimerakkudesse või taimeembrüosse. Efektiivsus on sel meetodil küll madalam kui Agrobacterium’i kasutades, kuid sobivate taimeliikide valik on oluliselt laiem. Samuti on eeliseks see, et nii saab transformeerida ka taime plastiide. Kolmandaks võimaluseks on taimerakkude elektroporatsioon, mis toimib sarnaselt bakterite puhul kirjeldatule.

Geneetilist materjali on võimalik taimerakkudesse viia ka mitmete taimeviiruste abil, kuid siis pole tegemist transformatsiooni, vaid transduktsiooniga – rakku viidav info on pakitud viiruskapslisse. Kuna suurem osa taimeviirustest on ssRNA-viirused, kelle pärilik materjal replitseerub tsütoplasmas, siis saab sel moel enamasti modifitseerida vaid üht põlvkonda rakke. Nakatatud taime järglased ei ole viirusega nakatunud ega kanna endas sisestatud geeni. DNA-viirused seevastu on võimelised kromosoomidega rekombineeruma, tekitades taime genoomis püsivaid muutusi, mis kanduvad üle ka järglastele.

Loomad

DNA viimist loomsetesse rakkudesse nimetatakse harilikult transfektsiooniks. Ka sel puhul muudetakse rakusein erinevate võtete abil poorseks, et soovitud materjal rakku liikuda saaks. Transfektsioon ei tähenda ainult DNA viimist rakku, vaid ka siRNA konstruktsiooni või valgu (näiteks antikeha) rakku sisestamist. Transfekteerimiseks kasutatakse kaltsiumfosfaati, elektroporatsiooni või segatakse rakku viidav aine katioonsete lipiididega, moodustamaks liposoome, mis membraaniga ühinedes sisaldise rakku viivad.

Rakendusi molekulaarbioloogias

Kunstliku kompetentsuse tekitamine bakterites võimaldab DNA-ga ja valkude ekspressiooniga manipuleerida. Levinuimaks mudelorganismiks on Escherichia coli, mida enamasti plasmiididega transformeeritakse. Plasmiidsel DNA-l peab rakku püsimajäämiseks olema oma replikatsiooni alguspunkt, et seda genoomist sõltumatult paljundada saaks. Transformatsiooni efektiivsuse ehk tõhususe, millega töödeldud bakterid väliskeskkonnast DNA-d omastavad, mõõtühikuks on CFU/μg DNA kohta.

CFU ehk colony forming unit väljendab eluvõimeliste rakkude hulka mingis koguses lahuses. Väikese plasmiidi, nagu pUC19 puhul tähendab transformatsiooniefektiivsus 1×10⁸ CFU/μg seda, et umbes üks plasmiid 2000 hulgast siseneb rakku. Keemiliste kompetentide puhul hoitakse rakke jää peal külmas CaCl₂ lahuses, muutes rakud plasmiidsele DNA-le läbitavaks. Rakke inkubeeritakse jääl plasmiidi juuresolekul ja seejärel kuumutatakse 42 °C juures sõltuvalt metoodikast 30–120 sekundit. Mittetööstuslikud meetodid annavad tulemuseks keskmiselt 10⁶–10⁷ transformanti mikrogrammi plasmiidi kohta. Keemiline meetod toimib plasmiidse DNA puhul väga hästi, kuid ei sobi lineaarsete DNA-fragmentide puhul, arvatavasti seetõttu, et raku eksonukleaasid lagundavad lineaarse DNA kiiresti ära. Looduslikud kompetendid seevastu transformeeruvad lineaarse DNA-ga paremini kui plasmiidsega.

Transformatsiooni efektiivsus väheneb plasmiidi suuruse kasvades, mistõttu kasutatakse suuremate DNA-molekulide puhul elektroporatsiooni. Elektroporeeritavaid rakke on enne töötlust soovitatav pesta külma mitmekordselt destilleeritud veega, eemaldamaks laetud osakesi, mis protsessi käigus sädet anda võiksid.

Transduktsioon

Transduktsioon (inglise keeles transduction) on geneetilise info kandumine ühelt bakterirakult teisele bakteriofaagide (viiruste) vahendusel.

Transduktsioon

Viiruste vahendatud transduktsiooni peetakse tänapäeval võimalikuks ka kõrgematel loomadel.

Transduktsioon avastasid 1952. aastal USA geneetikud Norton Zinder ja Joshua Lederberg.

Mutsiinid

Mutsiinid (MUC) on suured valgud, mis katavad ja kaitsevad epiteeli. Sekretoorsed mutsiinid, mis on koos veega peamisteks lima moodustajateks, eritatakse rakust välja. Membraanseoselised mutsiinid jäävad seotuks rakumembraaniga ja on lisaks kaitsefunktsioonile olulised rakkudevahelises suhtlemises. Membraanseoselised mutsiinid on üleekspresseeritud (valku toodetakse liiga palju) ja alternatiivselt modifitseeritud mitmete haiguste korral (tsüstiline fibroos, astma, vähk).

Struktuur

Mutsiinid koosnevad valgulisest „selgroost“ ehk apomutsiinist ja O-seoselistest suhkrujääkidest. Apomutsiinis on mutsiinidele iseloomulikud tandeemsed kordusjärjestused, mis on seriini- (Ser) ja treoniinirikkad (Thr). Ser ja Thr võimaldavad ulatuslikku glükosüülimist. Suhkrujäägid moodustavad 50–90% mutsiini molekuli massist. Suhkrujääkide tõttu nimetatakse neid glükoproteiinideks.

Membraanseoselised mutsiinid koosnevad kahest mittekovalentselt seotud alaühikust. Suurem alaühik on rakuväline ehk ekstratsellulaarne ning sisaldab põhiliselt glükosüülitud tandeemseid kordusjärjestusi. Väiksem alaühik sisaldab lühikest ekstratsellulaarset domeeni, transmembraanset domeeni ja tsütoplasmaatilist domeeni ehk tsütoplasmaatilist saba (CT).

Funktsioon

Mutsiine toodavad epiteelirakud, mis vooderdavad hingamis-, seede- ja suguelundkonna organite valendikke (toruja elundi õõsi). Mutsiine ekspresseeritakse ka erinevates näärmetes, kõrvas, kuseteedes ja nägemissüsteemis. Mutsiinide üks põhilisi ülesandeid on kaitsta epiteeli erinevate ärritajate vastu (madal pH, patogeenid, toksiinid, proteaasid, tolm) ja keskkonnamuutuste eest. Membraanseoselised mutsiinid moodustavad epiteeli rakkude pinnale tiheda võrgustiku – glükokaalüksi, mis ulatub rakkude pinnast kuni 1500 nm kaugusele. Selle kohal on sekreteeritavad mutsiinid, mis moodustavad limakihi. Membraanseoselised mutsiinid vahendavad epiteeli rakkudele väliseid signaale, mille tulemuseks võib olla rakkude jagunemine ehk proliferatsioon, diferentseerumine, programmeeritud rakusurm ehk apoptoos või erinevate ainete sekretsioon rakkudest.

Mutsiinide avaldumine inimesel

MUC1

Geen MUC1 paikneb 1. kromosoomi pikas õlas. MUC1 apomutsiin on umbes 200 kDa suurune, kuid glükosüülimisega võib molekulmass üle kahe korra suureneda. MUC1 on membraanseoseline. MUC1 avaldub kopsudes, sarvkestas, süljenäärmetes, söögitorus, maos, pankreases, jämesooles, rindades, eesnäärmes, munasarjades, neerudes, emakas ja emakakaelas. MUC1 ületootmine on iseloomulik rinna, munasarja, kopsu, käärsoole ja pankrease kartsinoomidele (epiteelkoe pahaloomuline kasvaja).

MUC2

Geen MUC2 paikneb 11. kromosoomi lühikeses õlas. MUC2 apomutsiin on 520 kDa suurune. MUC2 eritatakse rakust välja. MUC2 avaldub kopsudes, silmalau sidekestas, kõrvades, maos, peensooles, käärsooles, ninaneelus, eesnäärmes.

MUC3

Geen MUC3 paikneb 7. kromosoomi pikas õlas.  MUC3 on membraanseoseline. MUC3 avaldub normaalses seedetrakti epiteelis, aga ka põletikulise soolehaiguse ning kopsu–, süljenäärme–, käärsoole–, mao–, rinna–, pankrease– ja neeruvähi korral.

MUC4

Geen MUC4 paikneb 3. kromosoomi pikas õlas. MUC4 apomutsiin on 930 kDa suurune. MUC4 on membraanseoseline. MUC4 avaldub pisaranäärmetes, süljenäärmetes, naiste suguelundkonnas, eesnäärmes, maos, käärsooles, kopsudes ja piimanäärmetes. MUC4 ületootmine on iseloomulik pankrease, kopsu, rinna, käärsoole ja munasarja kartsinoomidele.

MUC5AC

Geen MUC5AC paikneb 11. kromosoomi lühikeses õlas. MUC5AC apomutsiin on 641 kDa suurune. MUC5AC eritatakse rakust välja. MUC5AC avaldub kopsudes, silmalau sidekestas, keskkõrvas, maos, sapipõies ja ninaneelus.

MUC5B

Geen MUC5B paikneb 11. kromosoomi lühikeses õlas. MUC5B apomutsiin on 620 kDa suurune. MUC5B eritatakse rakust välja. MUC5B avaldub kopsudes, keskkõrvas, neelus, süljenäärmetes, söögitoru näärmetes, maos, kaksteistsõrmiksooles, sapipõies ja ninaneelus.

MUC6

Geen MUC6 paikneb 11. kromosoomi lühikeses õlas. MUC6 eritatakse rakust välja. MUC6 avaldub maos, kaksteistsõrmiksooles, sapipõies, pankreases ja neerudes.

MUC7

Geen MUC7 paikneb 4. kromosoomi pikas õlas. MUC7 apomutsiin on 41,5 kDa suurune. MUC7 eritatakse rakust välja. MUC7 avaldub kopsudes, pisaranäärmetes, süljenäärmetes ja ninas.

MUC8

Geen MUC8 paikneb 12. kromosoomi pikas õlas. MUC8 eritatakse rakust välja. MUC8 avaldub munajuhas.

MUC9

Geen MUC9 paikneb 1. kromosoomi lühikeses õlas. MUC9 apomutsiin on 83 kDa suurune. MUC9 eritatakse rakust välja. MUC9 avaldub kõrvalsüljenäärmetes.

MUC10

MUC10 ei esine inimesel. MUC10 avaldub roti ja hiire kõrvalsüljenäärmetes ja testistes. MUC10 on membraanseoseline.

MUC11

Geen MUC11 paikneb 7. kromosoomi pikas õlas. MUC11 on membraanseoseline. MUC11 avaldub keskkõrvas, pankreases, kopsudes, harkelundis, peensooles, käärsooles, maksas, neerudes, emakas ja eesnäärmes.

MUC12

Geen MUC12 paikneb 7. kromosoomi pikas õlas. MUC12 on membraanseoseline. MUC12 valk koosneb 5478 aminohappejäägist. MUC12 avaldub keskkõrvas, pankreases, käärsooles, emakas ja eesnäärmes.

MUC13

Geen MUC13 paikneb 3. kromosoomi pikas õlas. MUC13 apomutsiin on 54,7 kDa suurune. MUC13 on membraanseoseline. MUC13 avaldub seede– ja hingamistrakti epiteelis ning mao–, käärsoole–, pärasoole–, pankrease–, kopsu– ja munasarjavähi korral.

MUC14

Geen MUC14 paikneb 4. kromosoomi pikas õlas. MUC14 on membraanseoseline. MUC14 avaldub munasarjas.

MUC15

Geen MUC15 paikneb 11. kromosoomi lühikeses õlas. MUC15 apomutsiin on 33,3 kDa suurune. MUC15 on membraanseoseline ja koosneb 311 aminohappejäägist. MUC15 avaldumine on kõrge platsentas, süljenäärmetes ja kilpnäärmes ning mõõdukas neerudes ja kopsudes. MUC15 isoleeriti algselt veise piima rasvagloobuli membraanist.

MUC16

Geen MUC16 paikneb 19. kromosoomi pikas õlas. MUC16 on teadaolevalt kõige suurem mutsiin, molekulmassiga üle 2000 kDa. MUC16 koosneb 22 152 aminohappejäägist. MUC16 avaldub hingamisteedes, suguelundkonnas ja seedetraktis. MUC16 on pankrease–, sapijuha–, maksa– ja munasarjavähkide marker.

MUC17

Geen MUC17 paikneb 7. kromosoomi pikas õlas. MUC17 on membraanseoseline ja koosneb 4493 aminohappejäägist. MUC17 avaldub normaalses seedetraktis ja käärsoole– ning pankreasevähi korral.

MUC18

Geen MUC18 paikneb 11. kromosoomi pikas õlas. MUC18 on membraanseoseline. MUC18 avaldub eesnäärmes.

MUC19

Geen MUC19 paikneb 12. kromosoomi pikas õlas. MUC19 eritatakse rakust välja. MUC19 avaldub kopsudes, süljenäärmetes, neerudes, maksas, käärsooles, platsentas ja eesnäärmes.

MUC20

Geen MUC20 paikneb 3. kromosoomi pikas õlas. MUC20 apomutsiin on 55–79 kDa suurune ja koosneb 503 aminohappejäägist. MUC20 on membraanseoseline. MUC20 esineb kahe isovormina (MUC20-S ja MUC20-L), mis erinevad üksteisest N–terminuses olevate kordusjärjestuste arvu poolest. MUC20 avaldub kopsudes, maksas, neerudes, käärsooles, platsentas ja eesnäärmes. MUC20 avaldub suuremal määral neeruvigastuste korral.

MUC21

Geen MUC21 paikneb 6. kromosoomi lühikeses õlas. MUC21 apomutsiin koosneb 535 aminohappejäägist. MUC21 on membraanseoseline. MUC21 avaldub kopsudes, jämesooles,harkelundis ja munandites. MUC21 on kopsu adenokartsinoomide (näärmeepiteelist lähtunud pahaloomuline kasvaja) marker.

Seosed haigustega

Alareguleeritud mutsiinide tootmine iseloomustab paljusid pahaloomulisi kasvajaid ja põletikulisi haigusi.

Mutsiinid aitavad kasvaja arengule ja metastaseerumisele kaasa erinevate mehhanismide abil. Metastaseeruvad vähirakud kasutavad mutsiine enda kaitseks, et jaguneda võõra koe ebasoodsates tingimustes ja takistada immunrakkude ligipääsu. MUC1–CT suurendab rakkude proliferatsiooni, kuna on võimeline seonduma erinevate proto-onkogeensete valkudega (ErbB, FGFR3, β–kateniin, ERα) ja takistama nende lagundamist. MUC1–CT takistab oksüdatiivse stressi korral apoptoosi tänu seondumisele p53 ja FOXO3–ga.

Normaalses kopsuepiteelis on mutsiinide tootmine küllaltki madal. Patogeenid ja muud ärritajad suurendavad mutsiinide tootmist märgatavalt. Krooniline mutsiinide ületootmine on iseloomulik tsüstilisele fibroosile, astmale ja kroonilisele obstruktiivsele kopsuhaigusele. Tsüstilise fibroosi korral vee sisaldus limas väheneb, ülemine limakiht ja alumine glükokaalüks on omavahel tihedamalt seotud ning seetõttu on lima väljutamine hingamisteedest raskem.

Downi sündroom

Downi sündroom ehk trisoomia 21 (lühend DS) on inimese kõige levinum kromosoomhaigus. Seda põhjustab 95 protsendil juhtudest 21. kromosoomi trisoomia (21. kromosoomist on 3 eksemplari, normaalne on 2), ülejäänud võivad olla 21. kromosoomi translokatsiooni mõjul. Downi sündroom on nimetatud inglise arsti John Langdon-Downi järgi, kes kirjeldas seda kromosoomihaigust esimesena aastal 1866.

Downi sündroom
Syndroma Down
Downi sündroomi põdev isik
Klassifikatsioon ja välisallikad
RHK-10	QQ.90
RHK-9	758.0
OMIM	190685
DiseasesDB	3898
MedlinePlus	000997
eMedicine	ped/615
MeSH	D004314

Nii naise kui mehe 21. kromosoomi trisoomia

Tekkepõhjused ja mehhanismid

Downi sündroomi tekkepõhjuseks peetakse häiret munaraku või spermatosoidi moodustumisel. Kromosoomide jagunemisel ilmneb viga ja loode areneb sügoodist, millel on üks kromosoom rohkem kui tavaliselt. Tervel inimesel on igas rakus 46 kromosoomi, mis koosnevad pärilikkuseainest, mille abil vanemate omadused ja tunnused antakse edasi järglastele. Kui tavaliselt on igal inimesel kaks sarnast 21. kromosoomi, siis Downi sündroomiga lastel on neid kolm. Downi sündroomi risk suureneb ema vanusega, kuid 80% selle haigusega lastest sünnib siiski emadel vanusega alla 35 eluaastat. Tänapäevased uuringud näitavad, et ühel vastsündinul 660-st (mõnede andmete kohaselt 1:700 või 1:900) on Downi sündroom. See ei sõltu riigist ega piirkonnast, kuid suuresti ema vanusest. Näiteks 25-aastaste naiste seas esineb see sagedusega 1:1250, 30-aastaste seas 1:1000, 35-aastaste seas 1:400, 40-aastaste seas 1:100 ja 45-aastaste seas 1:30 sünni kohta.

Sümptomid ehk avaldumine

Downi sündroomiga lastel on iseloomulik välimus ja nad on väliselt üsna sarnased.

Välised sümptomid:

• väike ümmargune pea, kukal ja näo profiil on lamedad;
• silmade lõige on viltune (meenutab mongoliidset rassi);
• kolmas silmalaug ehk epikantus, mis kujutab endast silmanurgas asuvat iseloomulikku nahavolti;
• silmade vahe on lai, esineb lameda juurega väike nina;
• kõõrdsilmsus, 3–4% esineb kae;
• hammaste anomaaliad;
• suu on poolavatud, suur keel sageli suust väljas;
• kõrvad on väikesed ja ümarad;
• kaela nahk on paks ja voldiline;
• nahk on kuiv ja sageli lõhenenud;
• iseloomulik on ka lühike kasv ja langenud lihasjõudlus;
• sõrmed on lühikesed, 50% esineb ahvivagu ehk nelja sõrme vagu (ahvikäejoon).

Vaimne areng:

• vaimne alaareng võib ulatuda kuni sügava vaimse alaarenguni.

Kehasisesed puudused või defektid:

• pooltel lastest esineb kaasasündinud südamerike ja/või puusaliigeste arenguhäire;
• liigeste liigne painduvus.

Neil esineb sagedamini kasvajaid, nakkushaigusi, soole avanematust ja teisi haigusi. Hilisemas elueas on suur risk haigestuda Alzheimeri tüüpi tõbedesse ja akuutsesse leukeemiasse. Iseloomult on Downi sündroomiga isikud leebed, kuid aeg-ajalt võib tekkida agressioonipuhanguid. Meessoost isikud on steriilsed, naised väga harva viljakad.

Diagnostika

Downi sündroomiga laste diagnoosimiseks kasutatakse kas füüsilist läbivaatust (kui on ilmsed tunnused eristatavad), kromosoomide analüüsimist, EKG-d või geneetilist konsultatsiooni.

Ravivõimalused

Downi sündroomi vastu otsest ravimit veel ei teata. Püütakse vältida võimalikke tüsistusi. Südamerikke raviks on sageli operatsioon, mille käigus suletakse valed avaused südame seinas või laiendatakse vajalikke avausi.

Downi sündroomi ravitakse peamiselt pikaajalise arendusraviga, mille varane alustamine on oluline hea lõpptulemuse saamiseks. Samas ei taga ka parim ravi lapse normaalset arengut. Ravi tehakse vastavates keskustes, kus töötavad koos psühholoog, logopeed, eripedagoog ja taastusraviarstid.

Suur osa on ka lapsevanematel. Last õpetatakse hakkama saama igapäevaste toimingutega nagu iseseisev söömine ja hügieen. Vastavalt võimetele õpivad lapsed lugema ja kirjutama.

Kindlasti on oluline ka massaaž ja ravivõimlemine, et tugevadada kaasasündinud nõrka lihaskonda.

Prognoos

Tänu kaasuvate haiguste varasele diagnoosimisele ning kaasaegsetele ravivõimalustele on ka prognoositav eluiga tunduvalt tõusnud. Kui 1929. aastal oli keskmiseks Downi sündroomiga inimese elueaks 9 aastat, siis tänapäeval on see 60 eluaasta ringis ning suure tõenäosusega tõuseb veelgi, tänu meditsiini arengule (Skallerup, S.J. 2008. Babies with Down Syndrome - A New parents´Guide. Woodbine House, USA).

Tavaliselt saab Downi sündroomiga imikut toita rinnaga, kuid osa võib vajada neelamistakistuse tõttu sondiga toitmist.

Märkimisväärselt alanenud lihastoonusega ja neelamisraskusega laste areng on pidurdunud, samal ajal kui kõrgema lihastoonusega, hea imemis- ja neelamisaktiivsusega ning elavate liigutustega lapsed arenevad võrdselt eakaaslastega. Neist tulevad raske või keskmise raskusega vaimse peetusega, kuid olukorraga kergesti kohanevad ja positiivse iseloomuga inimesed.

Ennetamine

15. rasedusnädalal saab raseda verest määrata hormoone alfafetoproteiini ja platsentas moodustuvat kooriongonadotropiini. Kui fetoproteiini on liiga vähe ja kooriongonadatropiini palju, on võimalik, et lootel esineb Downi sündroom. Vajalik oleks teha täpsemad uuringud.

Rasedaile vanuses üle 35–40 aastat pakutakse loote kromosoomanalüüsi võimalust, kuna Downi tõvega lapse sündimise tõenäosus hakkab märgatavalt suurenema, kui ema vanus ületab 35 eluaasta piiri. Kromosoomanalüüsiks võetakse looteveest läbi ema kõhu või tupe kaudu loote rakke. Protseduuri tehakse 16–20 rasedusnädalal. Võimalik on proovitüki võtmine ka platsentast. Loote rakke uuritakse mikroskoobi all ja kui leitakse lisakromosoom, võib pere soovi korral raseduse lõpetada (teha abort).

Kui peres on juba üks haige laps, siis kordusrisk teisel lapsel on alla 1%.

Edwardsi sündroom

Edwardsi sündroom on 18. kromosoomi kolmekordsusest tingitud kehalised väärarengud.

Edwardsi sündroom
Syndroma Edward et syndroma Patau
Klassifikatsioon ja välisallikad
RHK-10	QQ.91
RHK-9	758.2
DiseasesDB	13378
eMedicine	ped/652

Sündroomi põdevad lapsed surevad väga noorelt, tavaliselt vastsündinuna või imikueas. Eestis suri vanim Edwardsi sündroomi põdev isik 10-aastaselt.

Sündroomi kirjeldas ja määras selle põhjuse 1960. aastal inglise geneetik John Hilton Edwards.

Esinemissagedus on umbes 1:10 000.

Mutagenees

Mutagenees on protsess, mille käigus toimuvad organismi DNA-järjestuses muutused ehk mutatsioonid, mis jäävad genotüüpi püsima. Mutatsioonid võivad tekkida füüsikaliste, keemiliste ja bioloogiliste tegurite toimel. Mutageneesi võib jagada spontaanseks ja indutseerituks.

Mutageneesi võivad põhjustada kas endogeensed või eksogeensed faktorid. Endogeensete faktorite hulka kuuluvad spontaanne hüdrolüüs, hapniku vabad radikaalid või vead replikatsiooni- ja reparatsioonimehhanismides. Mutageneesi eksogeensete põhjuste hulka kuuluvad keskkondlikud mutageenid. Toimemehhanism sõltub mutageenist. Suurem osa mutageenidest mõjutavad otseselt või kaudselt DNA-d ja kahjustavad seda, mõned võivad mõjutada replikatsiooni ja teisi rakus toimuvaid protsesse.

Paljud kemikaalsed mutageenid vajavad bioloogilist aktivatsiooni, et muutuda mutageenseks. Näiteks tsütokroom P450 on oluline ensüümide perekond, mis toodab mutageenseid metaboliite. Mutageene, mis vajavad bioloogilist aktivatsiooni, nimetatakse promutageenideks.

Paljud mutatsioonid tekivad DNA kahjustuse tulemusena replikatsiooni käigus. Bakterirakkudes põhjustavad mutageenid üheahelalise DNA tühiku (single-stranded DNA gap) teket, mis kutsub esile SOS-vastuse. SOS-vastus on reparatsiooniprotsess, mis kasutab veaalteid DNA polümeraase. Selle ensüümi vähese veatundlikkuse tõttu võivad mutatsioonid püsima jääda. Imetajarakkudes indutseerib replikatsiooni peatumine kahjustatud piirkonnas mitmeid päästesüsteeme, mis aitavad samuti DNA kahjustusi parandada. Ka siin toimivad veaaltid DNA polümeraasid. DNA polümeraaside Y-perekonna ülesandeks on kahjustatud DNA ülesünteesimine (translesion DNA synthesis).

Ajalugu

1927. aastal korraldas Hermann Muller katse, mille käigus kiiritati harilikku äädikakärbest röntgenikiirgusega. Selle katse põhjal järeldati, et röntgenikiirgus põhjustab fenotüübis silmaga nähtavaid muutusi. Muller tõestas selle katse abil oma hüpoteesi, et mutatsioonid põhjustavad vähki. Lewis Stadler demonstreeris röntgenikiirguse mutageenset toimet odral 1928. aastal ja ultraviolettkiirguse (UV) mutageenset toimet maisil 1936. aastal. 1940. aastal avastasid Charlotte Auerbach ja J. M. Robson, et ipriit võib põhjustada mutatsioone harilikul äädikakärbsel.

Spontaanne mutagenees

Spontaansed ehk iseeneslikud mutatsioonid tekivad juhul, kui DNA polümeraas teeb DNA replikatsioonil vigu ilma väliste DNA-d kahjustavate tegurite osaluseta. Replikatsioonivead võivad tekkida järgmistel viisidel:

• sünteesitakse õige lämmastikualuse asemel vale;
• jäetakse mõni nukleotiid vahele;
• lülitatakse DNA ahelasse liigne nukleotiid.

Kui tekkinud vigu DNA ahelast ei eemaldata ega parandata, kinnistuvad vead järgmises DNA replikatsioonitsüklis mutatsioonidena.

Punktmutatsioonid

Punktmutatsioonid on ühe nukleotiidi asendusmutatsioonid. Asendusmutatsioonid jaotatakse transitsioonideks ja transversioonideks. Transitsioon on see, kui üks puriin asendatakse teise puriiniga (A ↔ G) või pürimidiin teise pürimidiiniga (C ↔ T). Transversiooni puhul asendatakse puriin pürimidiiniga või vastupidi (C/T ↔ A/G).

Punktmutatsioone võib jagada ka nende toime järgi:

• missenssmutatsioon, kus üks aminohape asendatakse teisega (missense mutation);
• nonsenssmutatsioon, kus tekib stoppkoodon (nonsense mutation);
• ei muudeta aminohapet (silent mutation).

Illustratsioon punktmutatsioonide mehhanismist. Esimeses tulbas on normaalne järjestus. Teises tulbas on küll toimunud muudatus DNA järjestuses, aga selle järjestuse pealt sünteesitav valk jääb samaks. Kolmandal juhul põhjustab mutatsioon valgusünteesi lõpetamise. Viimasel kahel juhul viib mutatsioon DNA järjestuses muudatuseni sünteesitavas valgujärjestuses, sest ahelasse lülitatakse teistsugune aminohape.

Kromosomaalsed mutatsioonid

Kromosomaalsed mutatsioonid (chromosome aberration) on kromosomaalse struktuuri muutused. Need jagunevad deletsioonideks, duplikatsioonideks, inversioonideks ja translokatsioonideks. Kromosomaalsed mutatsioonid on üldjuhul kahjulikud ja nende tekkimisega võib kaasneda organismi surm. Samas on nad olulised liigitekkes ja evolutsioonis laiemalt.

Deletsioon

Deletsioon on mutatsioon, mille tulemusena kaob osa kromosoomist. Deletsiooniga on seotud mõned geneetilised haigused (nt Wolfi-Hirschhorni sündroom).

Deletsioon võib tekkida järgnevatel viisidel:

• vead kromosomaalses ristsiirde (chromosomal crossover),
• DNA-ahela teatud piirkondade kadu translokatsiooni kaudu (translocation),
• katkestus ilma liitumiseta (breaking without rejoining),
• ebavõrdne ristsiire (unequal crossing over).

On olemas kaks deletsioonitüüpi:

• terminaalne deletsioon,
• interstitsiaalne deletsioon.

Terminaalses deletsioonis kaob osa kromosoomi otsast, kus on telomeerid, interstitsiaalses deletsioonis aga keskelt.

Mida ulatuslikum on deletsioon, seda suurem osa geneetilisest informatsioonist kaob ja seda tõsisemad on organismi häired. Suured deletsioonid on fataalsed.

Duplikatsioon

Skeem kromosoomist enne ja pärast duplikatsiooni

Duplikatsioon on mutatsioon, mille tulemusena kahekordistub osa kromosoomist. Duplikatsioone võivad põhjustada vead homoloogilises rekombinatsioonis või retrotransposoonid. Duplikatsioonid mängivad evolutsiooniprotsessides olulist rolli. Geeni teine koopia on vaba selektiivsest survest. See tähendab, et mutatsioonid geeni koopias ei avalda organismile kahjulikku mõju ja võivad selles geenis koguneda palju kiiremalt kui funktsionaalses geenis. Susumo Ohno kirjeldas seda teooriat oma raamatus "Evolution by gene duplication" (1970).

Inversioon

Inversioon on mutatsioon, mille tulemusena vahetuvad omavahel ühe ja sama kromosoomi piirkonnad. Inversiooni võib jagada paratsentriliseks ja peritsentriliseks inversiooniks. Paratsentrilise inversiooni puhul leiab inversioon aset tsentromeerist ühel pool, peritsentrilise inversiooni puhul aga mõlemal pool tsentromeeri.

Inversiooni käigus ei kao geneetiline materjal ja inverteeritud kromosoom ei avalda fenotüübile mõju. Kui aga inverteeritud heterosügoodis toimub ristsiire, siis võib tekkida anomaalne kromatiid.

Inimesel on kõige rohkem levinud üheksandas kromosoomis tekkinud inversioon, mis ei ole kahjulik. Samas on andmeid, et naistel, kes kannavad seda inversiooni, on nurisünnituse tõenäosus 30%.

Translokatsioon

Kromosomaalne translokatsioon on mutatsioon, mille tulemusena toimub ümberkorraldus mittehomoloogsete kromosoomide vahel. Translokatsioone on võimalik jagada järgnevalt:

• vastastikune (non-Robertsonian) translokatsioon;
• Robertsoni (Robertsonian) translokatsioon.

Translokatsioonid võivad olla tasakaalustatud ja tasakaalustamata. Tasakaalustatud translokatsiooni puhul vahetub võrdne osa geneetilisest materjalist, tasakaalustamata translokatsiooni korral ebavõrdne osa.

Vastastikune translokatsioon on geneetilise materjali vahetus mittehomoloogsete kromosoomide vahel, kusjuures mõlemad kromosoomid jäävad alles. Selle tekkesagedus varieerub 1/500 kuni 1/625 vastsündinu kohta. Sellised mutatsioonid on enamikul juhtudest ohutud. Inimestel, kes kannavad tasakaalustatud vastastikuseid translokatsioone, võivad tekkida tasakaalustamata translokatsioone sisaldavad gameedid. Sellised gameedid põhjustavad laste väärarenguid. Enamik kandjatest on terved, aga umbes 6% nendest võivad olla autistid või kannatada arenguhäirete all.

Robertsoni translokatsioon on kromosoomide ümberkorraldus. Inimese genoomis esineb see akrotsentrilistel kromosoomipaaridel (kromosoomid 13, 14, 15, 21 ja 22). See on mittevastastikune mutatsioon, mille tulemusena kahest akrotsentrilisest kromosoomist moodustub üks. Kandjad on fenotüübilt normaalsed, aga meioosis võib neil tekkida gameete, mis põhjustavad näiteks Downi sündroomi (kui tegemist on 21. ja 14. (15.) kromosoomide translokatsiooniga).

Aneuploidsus

Aneuploidsus on ebanormaalne kromosoomide arv. Lisa- või kadunud kromosoom on tavaline geneetiliste häirete põhjus. Aneuploidsus tekib raku jagunemisel, kui kromosoomid ei jaotu õigesti kahe raku vahel. Kõige sagedamini tekib inimesel kolmas lisakromosoom paarides 21, 18 ja 13. Erinevatel liikidel on erinev normaalne kromosoomide arv, seepärast on aneuploidsus liigispetsiifiline termin.

Eristatakse järgmiseid aneuploidsuse tüüpe:

• monosoomia;
• disoomia;
• trisoomia;
• tetra/pentasoomia.

Monosoomia on ühe kromosoomi puudumine karüotüübist. Inimese sugukromosoomide monosoomia põhjustab Turneri sündroomi.

Disoomia on ühe kromosoomi kahe koopia olemasolu. See on normaalne, kui tegemist on diploidse organismiga (näiteks inimene), triploidsetel organismidel on see aneuploidsuse ilming.

Trisoomia on lisakromosoomi esinemine. Üleliigne 21. kromosoom põhjustab Downi sündroomi. 18. kromosoomi trisoomia põhjustab Edwardsi sündroomi ning 13. kromosoomi trisoomia Patau sündroomi. Need on ainsad autosomaalsed trisoomiad, mida on elusalt sündinud inimestel leitud. Trisoomia võib esineda ka sugukromosoomide puhul (47,XXX; 47,XXY; 47,XYY).

Tetrasoomia ja pentasoomia on vastavalt nelja ja viie kromosoomikoopia esinemine genoomis. Väga harva esineb seda autosoomidel, mõnevõrra sagedamini sugukromosoomidel. Inimestel on leitud 48,XXXX; 49,XXXXX; 49,XXXXY ja 49,XYYYY karüotüüpe.

Indutseeritud mutagenees

Mutageneesi kasutatakse laboratoorse meetodina mutantsete tüvede loomiseks. Üldjuhul tekitatakse mutantseid tüvesid kahel eesmärgil:

• teatud geeni või valgu funktsiooni uurimiseks;
• tööstuses kasutatavate tüvede saamiseks.

Juhuslik mutagenees

Juhuslik mutagenees tähendab seda, et mutatsioon toimub juhuslikus kohas või kohtades. Efekti on võimalik saavutada UV-kiirguse või erinevate kemikaalide abil. Näiteks võib Escherichia coli't mõjutada UV-kiirgusega ja seejärel kasvatada agarsöötmel. Üles kasvanud kolooniad tuleb pärast külvata ümber rikassöötmesse ja minimaalsöötmesse. Spetsiifiliste toitevajadustega mutandid ei kasva minimaalsöötmes. Söötme koostist muutes saab tuvastada, milline toitaine on mutanttüvele vajalik.

Saitspetsiifiline mutagenees

Saitspetsiifiline mutagenees on meetod, mille abil tekitatakse mutatsioon DNA molekuli spetsiifilises kohas. See mutageneesi vorm eeldab muudetava molekuli nukleotiidse järjestuse teadmist.

Üldjuhul on vaja sünteesida praimer, mis oleks komplementaarne DNA molekuli piirkonnale, kus tahetakse tekitada mutatsioon. Mutatsioon võib olla kas punktmutatsioon, deletsioon või insertsioon. Praimer seondub spetsiifilise kohaga, mis asub tulevase mutatsiooni läheduses. DNA polümeraas sünteesib komplementaarseid ahelaid, kus tekib mutatsioon. Mutatsioonisaidiga DNA-ahel integreeritakse plasmiidi ja amplifitseeritakse. Pärast integreeritakse see bakteri genoomi ja toimub rekombinatsioon. Selle protsessi tulemusena saadakse mutantseid tüvesid.

Kunkeli meetod

1987. aastal esitlesid Kunkel ja kolleegid mutageneesi indutseerimise meetodit, mille eeliseks on vähenenud vajadus mutantide välja sorteerimiseks. Selleks kasutatakse mutanti, millel puudub kaks ensüümi: dUTPaas ja uratsiili deglükosidaas. dUTPaasi puudumine takistab dUTP lagunemist, uratsiili deglükosidaasi puudumine takistab uratsiili eemaldamist DNAst. Tulemusena sünteesitakse DNA-ahel, mis sisaldab ka uratsiili. Seda DNA-ahelat kasutatakse mutageneesiks. Selleks sünteesitakse komplementaarne ahel, mida pärast töödeldakse uratsiili deglükosidaasiga, mis eemaldab DNA-ahelast uratsiili, ja siis leelisega. Saavutatakse mutatsiooniga DNA-ahel.

PCR saitspetsiifiline mutagenees

Selles meetodis kasutatakse kindlat mutatsiooni sisaldavaid praimereid. Need amplifitseerivad mutantset DNAd, mida saab pärast ekstraheerida, kasutades elektroforeesi. Mutantne geen sisestatakse DNA molekulisse, kasutades rekombinatsiooni meetodit.

Resiktaasid

Restriktaasid (sait-spetsiifilised endonukleaasid) on ensüümid, mis lõikavad DNA-ahelat kindlate nukleotiidsete järjestuste juurest. Selliseid spetsiifilisi järjestusi nimetatakse restriktsioonisaitideks. 

Restriktaase on leitud bakteritest ja arhedest, kus need kaitsevad rakku sissetungivate viiruste eest. Prokarüootides lõikavad restriktaasid vaid võõrast DNA-d, raku enda DNA-d kaitseb restriktaasi eest metülaas, metüleerides A ja C nukleotiidid. Sellist kaitsemehhanismi nimetatakse restriktsiooni-modifikatsiooni süsteemiks.

Praeguseks on põhjalikult uuritud üle 3000 restriktaasi ja neist ligikaudu 600 kasutatakse igapäevaselt laborites, et DNA-d modifitseerida ja manipuleerida.

Ajalugu

Esimene bakteritest isoleeritud restriktaas oli HindII. See eraldati 1970. aastal bakterist Haemophilus influenzae.  Selle ja veel mitme restriktaasi avastamise eest anti 1978. aastal Nobeli füsioloogia- või meditsiiniauhind kolmele teadlasele: Daniel Nathans, Werner Arber ja Hamilton O. Smith. Nende avastus pani aluse rekombinantse DNA tehnoloogia arengule, millel on väga palju kasutusalasid, näiteks saab selle tehnoloogia abil kasutada E. coli baktereid kiireks ja suuremahuliseks insuliini tootmiseks.

Restriktsioonisait

Palindroomse ala järjestus on mõlemal ahelal sama, kui lugeda nukleotiide mõlemal ahelal samasuunaliselt (5’ otsast 3’ otsa).

Restriktaasid tunnevad ära teatud nukleotiidse järjestuse ja lõikavad läbi DNA kaksikheeliksi mõlemad ahelad. Restriktsioonisaidis on enamasti 4–8 nukleotiidi ja tihti on see palindroomne, mis tähendab, et nukleotiidide järjestus on mõlemat pidi lugedes sama. DNA-l on kaks palindroomse järjestuse võimalust. Peegelpalindroom (ingl mirror-like palindrome) on sarnane palindroomidega, mis esinevad keeles, näiteks "udu". DNA-järjestuses on peegelpalindroom näiteks GTAATG. Pöördkorduv palindroom (ingl inverted repeat palindrome) on samuti mõlemat pidi samasugune, kuid palindroom esineb komplementaarsetes DNA-ahelates, näiteks järjestuse GTATAC puhul, millele komplementaarne järjestus on CATATG. Pöördkorduvad palindroomid esinevad sagedamini ja omavad suuremat tähtsust kui peegelpalindroomid. Palindroomid võivad ahelates tekitada "volte", kus osa ahelast jääb U-kujuliselt üheahelaliseks.

EcoRI restriktaas jätab lõigates kleepuvad otsad:

SmaI restriktaas jätab lõigates tömbid otsad:

Äratundmisjärjestus on restriktaasidel erinev, mistõttu tekivad lõigates eri pikkusega kleepuvad otsad. Need võivad asuda nii peaahelal kui komplementaarsel ahelal.

Restriktaase, mis tunnevad ära sama järjestuse, kuid lõikavad erinevatest kohtadest, nimetatakse neoskisomeerideks. Ensüüme, mis tunnevad ära sama järjestuse ja ka lõikavad samade nukleotiidide vahelt, nimetatakse isoskisomeerideks.

Tüübid

Restriktaasid jagatakse nelja gruppi (I, II, III ja IV tüüpi) nende struktuuri, vajaliku kofaktori, äratundmisjärjestuse ja restriktsioonisaidi järgi. Kõik restriktaasid tunnevad ära kindla järjestuse ja teevad endonukleolüütilise lõike sellisel viisil, et tekiksid kindla järjestusega 5’ ja 3’ otsad. Nende eristamistunnused on järgnevad:

• I tüüpi ensüümide (EC 3.1.21.3) restriktsioonisait asub äratundmisjärjestusest eemal. Need vajavad funktsioneerimiseks nii ATP-d kui S-adenosüülmetioniini. On multifunktsionaalsed valgud, millel on nii restriktsiooni kui metülaasi (EC 2.1.1.72) ülesanded.
• II tüüpi ensüümide (EC 3.1.21.4) restriktsioonisait asub äratundmisjärjestuse sees või selle lähedal. Enamik neist vajavad magneesiumi. Need on vaid restriktsioonifunktsiooniga metülaasist sõltumatud valgud.
• III tüüpi ensüümide (EC 3.1.21.5) restriktsioonisait asub äratundmisjärjestuse lähedal. Need vajavad ATP-d (kuid ei hüdrolüüsi seda). S-adenosüülmetioniin stimuleerib reaktsiooni, kuid ei ole vajalik selle toimumiseks. Esineb osana suuremast valgust koos modifitseeriva metülaasiga (EC 2.1.1.72).
• IV tüüpi ensüümid seonduvad modifitseeritud (näiteks metüleeritud, hüdroksümetüleeritud või glükosüül-hüdroksümetüleeritud) DNA-ga. Need on bakteri viimase järgu kaitseensüümid.

I tüüp

I tüüpi restriktaasid olid esimesed, mis avastati ja mille omadusi iseloomustati. Need isoleeriti E. coli bakterist. I tüüpi restriktaaside restriktsioonisait erineb ja on vähemalt 1000 aluspaari kaugusel nende äratundmisjärjestusest. Lõikamine järgneb DNA translokatsioonile, mis tähendab, et need ensüümid on ka molekulaarmootorid. Äratundmisjärjestus on asümmeetriline ja koosneb kahest osast: ühes 3–4 nukleotiidi, teises 4–5 nukleotiidi. Neid eraldab mittespetsiifiline 6–8 nukleotiidi pikkune vaheala. Sellised ensüümid on multifunktsionaalsed ning on sõltuvalt DNA metüleeritusest võimelised nii restriktsiooniks kui modifitseerimiseks. Täielikuks aktiivsuseks on neil vaja kofaktoreid S-adenosüülmetioniini, hüdrolüüsitud ATP-d ja magneesiumiioone (Mg²⁺). I tüüpi restriktaasidel on 3 allüksust: HsdR, HsdM ja HsdS. HsdR on vajalik restriktsiooniks, HsdM on vajalik DNA metüleerimiseks ja HsdS on vajalik nii mõlemaks eelnevaks ülesandeks kui ka DNA-ga seondumiseks.

II tüüp

"Eco"RI restriktaasi struktuur (roheline ja sinine ala). Ensüüm seondub DNA kaksikheeliksi (pruun ala) külge. Ensüümi lõikamiskohale liitub kaks magneesiumi iooni (üks mõlemale monomeerile), mis tekitavad lünga DNA struktuuris

II tüüpi restriktaasid erinevad I tüüpi restriktaasidest mitmel moel. Need moodustavad homodimeere, mille äratundmisjärjestused on enamasti lahutamata palindroomid, mis on 4–8 nukleotiidi pikad. DNA-d lõikavad need sama koha pealt, kuhu seonduvad, ning ei vaja kofaktorina ATP-d ega S-adenosüülmetioniini, vaid ainult Mg²⁺ iooni. Selle rühma ensüüme kasutatakse enim ja need on teaduslaborites laialt levinud. 1990. aastatel ja 2000. aastate alguses leiti sellest klassist uusi ensüüme, mis ei vastanud täpselt eelpool mainitud tingimustele. Seetõttu loodi alamklassid, kuhu jaotada ensüüme vastavalt nende erinevustele rühma põhitüübist. Alamklassidele on lisatud järelliide.

IIB tüüpi restriktaasid (nt BcgI ja BplI) on multimeerid, mis tähendab, et need koosnevad rohkem kui ühest allüksusest. IIB tüüpi restriktaasid lõikavad ahela läbi mõlemalt poolt äratundmisjärjestust, lõigates kogu seondumisala ahelast välja. Need vajavad kofaktoritena S-adenosüülmetioniini ja Mg²⁺-ioone.

IIE tüüpi restriktaasid (nt NaeI) seonduvad oma äratundmisjärjestusega kahes kohas. Üks neist on replikatsioonisait, teist ala kasutab ensüüm allosteerilise aktivaatorina, mis kiirendab DNA lõikamist.

IIF tüüpi restriktaasid (nt NgoMIV) toimivad sarnaselt IIE tüüpi restriktaasidega, kuid lõikavad DNA järjestuse mõlemast seondumisalast korraga.

IIG tüüpi restriktaasidel (nt Eco57I) on sarnaselt II tüüpi restriktaasidega üks allüksus, kuid need vajavad kofaktorina S-adenosüülmetioniini.

IIM tüüpi restriktaasid (nt DpnI) tunnevad ära ja lõikavad metüleeritud DNA-d.

IIS tüüpi restriktaasid (nt FokI) lõikavad DNA-d kindla nukleotiidse järjestuse kauguselt oma äratundmisjärjestusest, mis on asümmeetriline ja mittepalindroomne. Need ensüümid võivad funktsioneerida dimeeridena.

IIT tüüpi restriktaasid (nt Bpu10I ja BslI) koosnevad kahest erinevast allüksusest. Mõned selle alamklassi ensüümid seonduvad palindroomse järjestusega, teised asümmeetrilise järjestusega.

III tüüp

III tüüpi restriktaasidel (nt EcoP15) on kaks erinevat mittepalindroomset äratundmisjärjestust, mis on vastassuunalised. Ensüüm lõikab DNA-ahela läbi 20–30 aluspaari kauguselt seondumisalast. Nendel ensüümidel on mitu allüksust, need täidavad nii metüleerimise kui restriktsiooni ülesannet ning need vajavad S-adenosüülmetioniini ja ATP-d. Selliseid restriktaase kasutavad prokarüoodid selleks, et kaitsta end sissetungiva võõra DNA eest. III tüüpi restriktaasid on hetero-oligomeersed multifunktsionaalsed valgud, mis koosnevad kahest allüksusest (Res ja Mod). Mod-allüksus tunneb ära spetsiifilise DNA järjestuse ja on DNA modifitseerimiseks vajalik metüültransferaas. Res on vajalik restriktsiooniks, kuid iseseisvalt pole see aktiivne. III tüüpi restriktaasidel on 5–6 aluspaari pikkused asümmeetrilised äratundmisjärjestused ning need lõikavad DNA-ahela läbi 25–27 aluspaari kauguselt pärisuunas, jättes vabaks lühikese üheahelalise üleulatuva 5’ otsa. Selleks, et ensüüm lõikaks, on vaja kaht vastupidise suunaga metüleerimata äratundmisjärjestust. III tüüpi ensüümid metüleerivad adenosüüljäägi N-6-positsioonil ühe DNA-ahela, seega on värskelt replitseeritud DNA-l vaid üks metüleeritud ahel, kuid see on piisav, et kaitsta seda uue restriktsiooni eest.

Tehislikud restriktaasid

Tehislikke restriktaase valmistatakse, liites looduslikke või tehislikke DNA seondumisdomeene nukleaasdomeenidega (selleks on sageli IIS tüüpi restriktaasi FokI-i restriktsioonidomeen). Sünteetilised restriktaasid suudavad ära tunda suuri saite (kuni 36 aluspaari) ja neid võib panna seonduma mis tahes DNA-järjestusega. Tsinksõrmnukleaasid on geenitehnoloogias enim kasutatavad tehislikud restriktaasid.

Näited

Näiteid restriktaasidest:

Ensüüm	Allikas	Spetsiifiline järjestus	Lõige
EcoRI	Escherichia coli	5'GAATTC 3'CTTAAG	5'---G AATTC---3' 3'---CTTAA G---5'
EcoRII	Escherichia coli	5'CCWGG 3'GGWCC	5'--- CCWGG---3' 3'---GGWCC ---5'
BamHI	Bacillus amyloliquefaciens	5'GGATCC 3'CCTAGG	5'---G GATCC---3' 3'---CCTAG G---5'
HindIII	Haemophilus influenzae	5'AAGCTT 3'TTCGAA	5'---A AGCTT---3' 3'---TTCGA A---5'
TaqI	Thermus aquaticus	5'TCGA 3'AGCT	5'---T CGA---3' 3'---AGC T---5'
NotI	Nocardia otitidis	5'GCGGCCGC 3'CGCCGGCG	5'---GC GGCCGC---3' 3'---CGCCGG CG---5'
HinfI	Haemophilus influenzae	5'GANTCA 3'CTNAGT	5'---G ANTC---3' 3'---CTNA G---5'
Sau3A	Staphylococcus aureus	5'GATC 3'CTAG	5'--- GATC---3' 3'---CTAG ---5'
PvuII*	Proteus vulgaris	5'CAGCTG 3'GTCGAC	5'---CAG CTG---3' 3'---GTC GAC---5'
SmaI*	Serratia marcescens	5'CCCGGG 3'GGGCCC	5'---CCC GGG---3' 3'---GGG CCC---5'
HaeIII*	Haemophilus aegyptius	5'GGCC 3'CCGG	5'---GG CC---3' 3'---CC GG---5'
HgaI	Haemophilus gallinarum	5'GACGC 3'CTGCG	5'---NN NN---3' 3'---NN NN---5'
AluI*	Arthrobacter luteus	5'AGCT 3'TCGA	5'---AG CT---3' 3'---TC GA---5'
EcoRV*	Escherichia coli	5'GATATC 3'CTATAG	5'---GAT ATC---3' 3'---CTA TAG---5'
EcoP15I	Escherichia coli	5'CAGCAGN25NN 3'GTCGTCN25NN	5'---CAGCAGN25NN ---3' 3'---GTCGTCN25 NN---5'
KpnI	Klebsiella pneumoniae	5'GGTACC 3'CCATGG	5'---GGTAC C---3' 3'---C CATGG---5'
PstI	Providencia stuartii	5'CTGCAG 3'GACGTC	5'---CTGCA G---3' 3'---G ACGTC---5'
SacI	Streptomyces achromogenes	5'GAGCTC 3'CTCGAG	5'---GAGCT C---3' 3'---C TCGAG---5'
SalI	Streptomyces albus	5'GTCGAC 3'CAGCTG	5'---G TCGAC---3' 3'---CAGCT G---5'
ScaI	Streptomyces caespitosus	5'AGTACT 3'TCATGA	5'---AGT ACT---3' 3'---TCA TGA---5'
SpeI	Sphaerotilus natans	5'ACTAGT 3'TGATCA	5'---A CTAGT---3' 3'---TGATC A---5'
SphI	Streptomyces phaeochromogenes	5'GCATGC 3'CGTACG	5'---GCATG C---3' 3'---C GTACG---5'
StuI	Streptomyces tubercidicus	5'AGGCCT 3'TCCGGA	5'---AGG CCT---3' 3'---TCC GGA---5'
XbaI	Xanthomonas badrii	5'TCTAGA 3'AGATCT	5'---T CTAGA---3' 3'---AGATC T---5'

Tähistused:

* = tömp ots
N = C või G või T või A
W = A või T