Эндонуклеазы рестрикции

Основными ферментами, которые позволяют производить различные манипуляции с нуклеиновыми кислотами, являются нуклеазы – ферменты, гидролизующие фосфодиэфирную связь (фосфодиэстеразы). Нуклеазы специфическим образом модифицируют молекулы ДНК и РНК внутри (эндонуклеазы) и на концах (экзонуклеазы) полинуклеотидной цепи. Нуклеазы могут гидролизовать, т.е. разрушать, полинуклеотидную цепь с одной или другой стороны от фосфодиэфирного мостика. Каждый фермент проявляет определенную специфичность в этом отношении. Существуют, например нуклеазы, специфичные в отношении одноцепочечной ДНК: exo VII E.coli.; или нуклеазы, специфично расщепляющие РНК в комплексе ДНК-РНК: РНКазы Н.

Рестрицирующие эндонуклеазы (эндонуклеазы рестрикции, рестриктазы) - это ферменты, узнающие и гидролизующие определенные последовательности нуклеотидов в молекуле ДНК (сайты рестрикции).

Еще в 1953 году было обнаружено, что ДНК определенного штамма E. coli, введенная в клетки другого штамма (например, ДНК штамма В - в клетки штамма С) не проявляет, как правило, генетической активности, так как быстро расщепляется на мелкие фрагменты. В 1966 году было показано, что это явление связано со специфической модификацией хозяйской ДНК - она содержит несколько метилированных оснований, отсутствующих в немодифицированной ДНК, причем метилирование (добавление к основанию метильной группы) происходит уже после завершения репликации. Бактерия способна отличить свою собственную ДНК от любой вторгающейся “чужеродной” именно по типу ее модификации. За “метку” отвечают метилирующие ферменты модификации, так называемые ДНК-метилазы. Различие в модификации делает чужеродную ДНК чувствительной к действию рестрицирующих ферментов, которые узнают отсутствие метильных групп в соответствующих сайтах.

Системы рестрикции (restriction – ограничение), т.е. ограничения действия чужеродного генетического материала, и модификации широко распространены у бактерий; их существование играет важную роль в защите резидентной ДНК от загрязнения последовательностями чужеродного происхождения.

Первая специфическая эндонуклаза была выделена Смитом и Вилькоксом из Hyamophilus influenzae (Hind III) в1970 году. А в 1978 году Вернер Арбур, Даниелс Натанс и Хамилтон Смит были удостоены Нобелевской премии по физиологии и медицине “За обнаружение рестрикционных ферментов и их применение в молекулярной генетике”.

Поскольку разные бактерии по-разному метят свою ДНК, то и эндонуклеазы рестрикции должны узнавать разные последовательности. На настоящий момент описано приблизительно 500 эндонуклеаз рестрикции. Для всех этих ферментов обнаружено около 150 сайтов узнавания ДНК.