一、DNA限制性内切酶

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Lurva和Human(1952)以及Bertani和Weigle(1953)发现了噬菌体λ的限制作用,即用一种λ噬菌体在一种宿主细胞生长良好,但在另一种宿主细胞中生长很差,其原因在于它的DNA受到后一种宿主的“限制”。由此发现了限制-修饰系统。

各种细菌都能合成一种或几种顺序专一的核酸内切酶。这些酶切割DNA的双链,因为它们的功能就是切割DNA,限制外源性DNA存在于自身细胞内,所以称这种核酸内切酶为限制酶。合成限制酶的细胞自身的DNA可以不受这种酶的作用,因为细胞还合成了一种修饰酶,它改变了限制酶识别的DNA顺序的结构,使限制酶不能起作用。限制-修饰系统是细胞的一种防卫手段。如果用噬菌体去感染限制-修饰系统有活性的细菌,噬菌体DNA没有先经修饰,它与先经修饰的噬菌体相比,感染效率要低几个数量级。未经修饰的噬菌体DNA进入细胞后被限制酶切成片段,片段的数目与DNA分子中限制酶的识别点数目成正比,这些片段进一步被细胞的核酸外切酶降解,就会开始裂解感染,由此产生的子代噬菌体全部带有修饰过的DNA,因此能以很高的效率去感染另一些具有相同限制-修饰系统的细菌。目前,从各种生物中分离出的限制性内切酶已超过175种,其中80多种是切割DNA双链。

(一)命名原则

限制性内切酶主要是从原核生物中提取的。现在通用的命名原则是:第一个字是细菌属名的第一个字母,第二、三个字是细菌种名的前二个字母,这些字母都用斜体字母;接下去是细菌株的第一个字母,用正体字母书写。如果同一菌株中有几种不同的内切酶时,则分别用罗马数字Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ……来代表。现在列表举例说明如下(表23-1)。

表23-1 几种限制性内切酶命名原则举例

细菌原名细菌种名菌株名称限制酶名称
ArthrobacterLuteus AluⅠ
BacillusamyloliquefaciensHBamHⅠ
EscherichiaColiRY13EcoRⅠ
HaemophilusinflueuzaeRdHindⅢ

(二)分类和特性

限制性内切酶主要分成三大类。第一类限制性内切酶能识别专一的核苷酸顺序,并在识别点附近的一些核苷酸上切割DNA分子中的双链,但是切割的核苷酸顺序没有专一性,是随机的。这类限制性内切酶在DNA重组技术或基因工程中没有多大用处,无法用于分析DNA结构或克隆基因。这类酶如EcoB、EcoK等。

第二类限制性内切酶能识别专一的核苷酸顺序,并在该顺序内的固定位置上切割双链。由于这类限制性内切酶的识别和切割的核苷酸都是专一的。所以总能得到同样核苷酸顺序的DNA片段,并能构建来自不同基因组的DNA片段,形成杂合DNA分子。因此,这种限制性内切酶是DNA重组技术中最常用的工具酶之一。这种酶识别的专一核苷酸顺序最常见的是4个或6个核苷酸,少数也有识别5个核苷酸以及7个、9个、10个和11个核苷酸的。如果识别位置在DNA分子中分布是随机的,则识别4个核苷酸的限制性内切酶每隔46(4096)个核苷酸就有一个切点。人的单倍体基因组据估计为3×199核苷酸,识别4个核苷酸的限制性内切酶的切点将有(3×109/2.5×102)约107个切点,也就是可被这种酶切成107片段,识别6个核苷酸的限制性内切酶也将有(3×109/4×103)约106个切点。

第二类限制性内切酶的识别顺序是一个回文对称顺序,即有一个中心对称轴,从这个轴朝二个方向“读”都完全相同。这种酶的切割可以有两种方式。一是交错切割,结果形成两条单链末端,这种末端的核苷酸顺序是互补的,可形成氢键,所以称为粘性末端。如EcoRI的识别顺序为:

↓ |

5’……GAA | TTC……3’

3’……CTT | AAG……5’

| ↑

垂直虚线表示中心对称轴,从两侧“读”核苷酸顺序都是GAATTC或CTTAAG,这就是回文顺序(palindrome)。实线剪头表示在双链上交错切割的位置,切割后生成5’……G和AATTC……3’、3’……CTTAA和G……5’二个DNA片段,各有一个单链末端,二条单链是互补的,可通过形成氢键而“粘合”。另一种是在同一位置上切割双链,产生平头末端。例如HaeⅢ的识别位置是:

5’……GG↓CC……3’

3’……CC↓GG……’

在箭头所指处切割,产生的两个DNA片段是:

5’……GG CC……3’

3’……CC GG……5’

有时候两种限制性内切酶的识别核苷酸顺序和切割位置都相同,差别只在于当识别顺序中有甲基化的核苷酸时,一种限制性内切酶可以切割,另一种则不能。例如HpaⅡ和MspⅠ的识别顺序都是5’……GCGG……3’,如果其中有5’-甲基胞嘧啶,则只有HpaⅡ能够切割。这些有相同切点的酶称为同切酶或异源同工酶(isoschizomer)。

第三类限制性内切酶也有专一的识别顺序,但不是对称的回文顺序。它在识别顺序旁边几个核苷酸对的固定位置上切割双链。但这几个核苷酸对则是任意的。因此,这种限制性内切酶切割后产生的一定长度DNA片段,具有各种单链末端。这对于克隆基因或克隆DNA片段没有多大用处。

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