引言：
脱氧核糖核酸酶（DNase）是一类关键的酶，在细胞内起着重要作用。它们能够切割DNA分子，从而参与DNA修复、DNA复制和基因表达等生物学过程。DNase的活性和特异性对细胞的生存和功能至关重要。了解脱氧核糖核酸酶如何发挥作用，不仅可以深化我们对细胞生物学的认识，还有助于揭示疾病发生机制以及开发新的治疗方法。在本文中，我们将探讨脱氧核糖核酸酶的作用机制及其在细胞生物学和医学领域中的重要性。
1. 脱氧核糖核酸酶简介
血清中存在细胞外DNA (ecDNA)是几十年前由Mandel和Metais首次描述的。循环中的DNA主要来源于血液和因细胞凋亡、坏死和NETosis引起的组织细胞，但也可以通过活细胞的积极分泌产生。DNA作为核内遗传信息的载体，其结构和遗传作用在被释放到细胞外空间后完全改变。与DNA结合蛋白(如组蛋白、高迁移率族结合蛋白1、乳铁蛋白)相关的ecDNA分子具有激活各种DNA感知受体的能力。这些受体系统，也称为模式识别受体，位于细胞膜的两侧，识别ecDNA作为一种损伤相关的分子模式。这种激活导致免疫细胞的刺激、炎症的诱导和NETosis。因此，在各种炎症性疾病的血浆中发现了高浓度的ecDNA，可能是一个治疗靶点。
利用脱氧核糖核酸酶(dnase)裂解ecDNA是维持ecDNA低浓度的生理途径之一。DNA酶是能够水解DNA分子磷酸二酯键的酶类。它们可分为生化和生物学特性不同的两个家族——DNaseⅰ和DNaseⅱ家族。它们都具有水解DNA的能力。dna酶由多种基因编码并在许多组织中表达。其中一些是分泌的，因此，DNA酶可以在细胞内和细胞外空间切割DNA。ecDNA首先由细胞内dna酶裂解产生，随后由细胞外dna酶继续裂解。DNA酶的进化起源仍存在争议，但一个强有力的假说是，DNA酶起源于真核生物，与细菌吞噬作用一起促进细菌DNA的降解。dna酶ⅰ家族包括dna酶ⅰ、dna酶1l1、dna酶1l2和dna酶1l3，而dna酶ⅱ家族包括dna酶ⅱα和dna酶ⅱβ。虽然L-DNaseⅱ被认为是DNaseⅱ家族的一部分，但假定的基因是SERPINB1，而不是DNaseⅱα和DNaseⅱβ中的DNase。脱氧核糖核酸酶(dnase)的分类如下图所示：
2. 脱氧核糖核酸酶的结构
脱氧核糖核酸酶类(DNA酶类)是一类能够分解DNA磷酸二酯键的酶。它们有不同的形式和不同的结构，但有一些共同的特征将它们统一起来。以下是它们的主要结构特征和功能域的分解:
2.1 主要结构特点
（1）蛋白质结构:大多数dna酶由α (α)和β (β)组成，形成α/β折叠。这种排列为酶创造了稳定的结构。
（2）糖蛋白:许多dna酶是糖基化的，这意味着它们的蛋白质骨架上有糖链。这些碳水化合物可以在蛋白质的稳定性、溶解性和靶向性方面发挥作用。
（3）金属离子结合:许多dna酶需要二价金属离子，如镁(Mg2+)或钙(Ca2+)，进行催化。这些金属离子有助于协调反应并稳定DNA中带负电荷的磷酸基。
2.2 功能域
（1）催化域:该酶区域含有催化所必需的氨基酸残基。这些残基共同作用使DNA中的磷酸二酯键断裂。
（2）底物结合域:这部分酶负责识别和结合DNA。它通常包括补充DNA分子形状和电荷的口袋或凹槽。
DNase I:这种特征明确的酶具有经典的α/β三明治结构。它优先在糖基与嘧啶核苷酸连接的位点切割DNA。结构研究已经显示了该酶如何与DNA骨架相互作用以及金属离子如何定位以促进催化。
DNase II:这种酶具有同源二聚体结构，这意味着它由两个相同的亚单位组成。在酸性pH下发挥最佳功能，并且不需要金属离子发挥活性。结构研究揭示了一种可容纳双链DNA的u型钳。
了解dna酶的结构对于开发新的药物和疗法至关重要。通过靶向这种酶的特定区域，科学家可以创造出抑制其活性或改变其功能的分子。这一知识对于治疗癌症和自身免疫性疾病等疾病是有价值的，这些疾病的DNA降解是一个因素。
3. 脱氧核糖核酸酶如何发挥作用？
有一些DNA酶专门切割或“切割”DNA分子末端的残基，这类核酸外切酶被称为脱氧核糖核酸外切酶。有些DNA酶对其切割的DNA序列缺乏特异性，而另一些如限制性内切酶则具有很强的序列特异性。另外，还有一些DNA酶只能切割双链DNA，有些对单链分子有特异性，还有些则对两者均具有活性。
DNase的作用可以分为三个阶段：首先，在磷酸二酯骨架中引入多个刻痕；其次，产生酸溶性核苷酸；最后，在终末阶段，由寡核苷酸的还原组成，导致紫外线数据的增色位移。其机制具体如下：
（1）DNase I机制
DNase I主要作用于双链DNA，也有少量作用于单链DNA裂解。DNA酶 I通过在一条链上切取磷酸二酯键来催化非特异性DNA裂解。其裂解位点位于3 ' -氧原子和相邻的磷原子之间，产生3 ' -羟基和5 ' -磷酸化基寡核苷酸，其构型在磷上发生反转。dna酶的正常功能依赖于二价阳离子的存在，通常是Ca2+。DNase I的活性位点包括两个组氨酸残基(His134和His252)和两个酸性残基(Glu78和Asp 212)，它们对磷酸二酯键的一般酸碱催化都是至关重要的
（2）DNaseII作用机制
脱氧核糖核酸酶II (DNase II)也被称为酸性脱氧核糖核酸酶，因为它通常在高等真核生物的溶酶体的低pH环境中具有最优的活性。某些形式的重组DNase II在无二价金属离子的低pH条件下表现出高水平的活性，类似于真核生物DNase II。与DNase I不同，DNase II裂解5'-氧原子和相邻磷原子之间的磷酸二酯键，产生3?-phosphorylated和5?-hydroxyl核苷酸。
4. 脱氧核糖核酸酶在消化中的作用
DNase I主要由消化系统的器官产生，如胰腺和唾液腺。目前已知的哺乳动物DNase I有3种类型:胰腺型、腮腺型和胰-腮腺。进化的饮食习惯与消化系统中DNase I的组织分布有关。人和猪是杂食动物，它们有胰腺型的DNase I，而啮齿类动物，如老鼠和大鼠，它们的腮腺中产生DNase I。牛和兔产生一种胰腺-腮腺型DNase I。所有类型的酶都从这些器官分泌到肠道，在那里它们暴露在不同的条件下。胰腺型DNase I作为胰液的一种成分分泌到小肠。这种酶对pH变化比腮腺型和胰-腮腺型的DNase I更敏感，后者即使在胃内的低pH也能有活性。研究表明，这两种类型的DNase I的dna酶活性的保存是通过改变它们的构象来实现的。
（1）DNase的消化:从口腔开始
当食物进入我们的口腔，分解过程就开始了。在各种酶中发挥作用的是脱氧核糖核酸酶。DNA不是膳食能量的主要来源，含量很少，尤其是在动物性食物中。DNA酶起作用时，分解将DNA的糖和磷酸骨架连接在一起的磷酸二酯键。这种碎片化允许释放更小的成分，核苷酸，然后我们的身体可以利用或消除。
（2）断裂键:DNase对营养吸收和肠道健康的贡献
dna酶类在帮助另一重要分子RNA的消化方面起着更重要的作用。动物和植物性食物中都存在的膳食RNA对肠道健康至关重要。通过将RNA分解成更小的核苷酸，dna酶有助于营养吸收的整体效率。此外，肠道微生物群(肠道内的微生物群落)利用这些核苷酸进行自身的生长和功能。健康的肠道微生物群对于消化、免疫功能和整体健康至关重要。
虽然具体机制仍在探索中，但研究表明，DNase活性也可能影响肠道菌群的组成。通过调节核苷酸的可用性，dna酶可能在促进有益菌的生长中发挥作用。了解dna酶、肠道微生物群和营养吸收之间的这种复杂相互作用，为促进消化系统健康的潜在应用铺平了道路。
5. 超越消化：DNase的多种功能
（1）免疫卫士：DNase 在先天防御机制中的作用
在我们先天免疫系统的第一道防线中起着关键作用。死亡细胞或细菌等外来入侵者释放的细胞外DNA可以引发炎症。DNA酶通过分解这些细胞外DNA，阻止其激活有害的免疫反应，起到分子卫士的作用。这有助于维持免疫稳态，防止过度炎症引起的组织损伤。
（2）细胞外 DNase：对炎症和自身免疫性疾病的影响
DNase活性的重要性延伸到各种健康状况。在一些疾病中，如囊性纤维化和狼疮，DNA酶功能的缺陷会导致细胞外DNA的积累。这种累积会引发慢性炎症并导致组织损伤。研究表明，DNase替代疗法可能是一种通过减少炎症和促进愈合来管理这些疾病的潜在方法。
血浆中高浓度的ecDNA与各种疾病有关。然而，它不仅仅是一种生物标志物，因为它被认为是一种与损伤相关的分子模式并激活免疫反应。DNase的清除，主要是通过DNase I，它水解血液中的DNA，可能是调节ecDNA浓度的机制之一，从而防止炎症的诱导。因此，事实证明DNase活性可能是各种疾病的生物标志物也就不足为奇了。与健康人相比，恶性胃癌、结肠癌和胰腺癌以及恶性淋巴瘤患者的DNase活性较低。相反，在乳腺癌和口腔癌患者中观察到高血清DNase活性。对 DNase I 不同表型的研究表明，具有 DNASE1*2 多态性的表型 2 可能是胃癌和结直肠癌发展的良好预测因子，而与其他类型的癌症没有发现这种关联。急性心肌梗死是下一个与DNase活性异常有关的疾病。缺血性心脏病患者表现为心肌梗死，DNase活性升高，但这一特征尚未被证实为生物标志物。DNASE1*2等位基因也与心肌梗死的高风险有关。它也可能是冠状动脉粥样硬化病变破裂的遗传危险因素，导致心肌梗死。然而，DNase活性在生物医学中的作用并不局限于诊断或筛选ecDNA，因此，DNase也是一个关键的治疗靶点。
（3）治疗潜力：探索 DNase 在医学中的应用
DNase抑制肿瘤细胞的增殖。在几项研究中，表明DNase治疗可以防止小鼠移植皮下肿瘤细胞的血源性肝转移，也可以防止大鼠腹水肿瘤细胞的转移。同一研究小组表明，静脉注射DNase I可增强肺微血管系统中的肿瘤细胞停滞。Linardou等人测试了哺乳动物DNase-I的细胞毒性潜力及其在肿瘤靶向策略中的可能用途。他们设计并构建了一种由DNase I和单链Fv片段抗体组成的嵌合分子，该分子针对人胎盘碱性磷酸酶，该分子在体外具有抗原结合和DNA裂解活性，并且在表达特异性抗原的细胞中具有高度细胞毒性。因此，DNase I为靶向特定细胞提供了一种潜在的治疗策略。然而，还需要进一步的研究。此外，DNase I活性可能是肝癌的新型生物标志物。虽然未观察到总ecDNA与肝癌风险之间存在关联，但DNase活性较高的患者存在风险。
目前正在研究针对各种炎症性和自身免疫性疾病的基于dna酶的治疗方法。在囊性纤维化中，吸入DNase已被证明可通过降低黏液黏稠度和缓解呼吸困难来改善肺功能。同样，评估DNase在治疗狼疮和类风湿关节炎等其他疾病中的疗效的研究正在进行中。这些进展凸显了DNase疗法在调节炎症和改善患者结局方面的潜力。
6. 脱氧核糖核酸酶将 DNA 分解成什么？
当DNA酶分解DNA时，它们切断骨架中糖和磷酸基团之间的磷酸二酯键，使DNA分子片段化。这些片段是独立的核苷酸，是DNA的组成部分。每个核苷酸由一个糖分子(DNA中的脱氧核糖)、一个磷酸基和一个含氮碱基(腺嘌呤、鸟嘌呤、胞嘧啶或胸腺嘧啶)组成。这些核苷酸的特定序列决定了储存在DNA中的遗传密码。dna酶的断裂模式可以根据dna酶的类型及其靶点而变化。这会影响产生的核苷酸片段的大小和功能。了解这些分解途径及其生物学后果在包括分子生物学、医学和法医学在内的各个领域至关重要。
7. DNase 活性的调节
DNA酶活性在细胞内受到严格调控，以确保DNA的正常代谢和防止失控的降解。若干机制有助于这方面的控制，包括:
（1）基因表达调控
编码dna酶的基因受多种因素调控，影响dna酶的产生量。这使得细胞可以根据其特定的需要控制dna酶的水平。
（2）翻译后修饰:
dna酶活性可通过将化学基团连接到酶蛋白来调节。这些修饰可以激活或抑制酶，取决于具体的修饰。
（3）细胞内定位:
dna酶常靶向细胞内的特定区室。这种区室化确保DNA酶活性被限制在适当的位置，并防止意外的DNA裂解。
理解这些调节机制对于理解细胞如何保持DNA完整性以及DNA酶活性失调如何导致疾病状态至关重要。
8. 结论：解开脱氧核糖核酸酶之谜
综上所述，解开脱氧核糖核酸酶之谜不仅揭示了其结构和功能的复杂性，还为生物医学研究及其他领域带来了深远影响。从结构到功能的探索不仅拓展了我们对生物学过程的理解，还为未来的科学研究和生物技术发展提供了新的可能性。因此，我们呼吁广大科研工作者和生物领域的从业者，积极研究脱氧核糖核酸酶，共同开启解锁生物前沿的潜力之旅。
参考：
[1]https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC7407206/
[2]https://en.wikipedia.org/wiki/Deoxyribonuclease
[3]https://www.uhhospitals.org/health-information/health-and-wellness-library/article/adult-diseases-and-conditions-v1/the-digestive-process-digestion-begins-in-the-mouth
[4]https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC108430/
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