제한 효소 : 기능, 유형 및 예 - 생물학

제한 효소를 억제하거나 내부 바이러스의 확산을 "제한"특정 세균 및 고세균 엔도 뉴 클레아 의해 이용된다. 그들은 특히 박테리아에서 흔하며 제한 / 변형 시스템으로 알려진 외래 DNA에 대한 방어 시스템의 일부입니다.

이 효소는 추가 에너지를 사용하지 않고 재현 가능하게 특정 위치에서 이중 밴드 DNA의 절단을 촉매합니다. 대부분은 마그네슘 또는 기타 2가 양이온과 같은 보조 인자가 필요하지만 일부는 ATP 또는 S- 아데노 실 메티오닌도 필요합니다.

HindIII 제한 효소 반응 방식 (출처 : Helixitta via Wikimedia Commons)

제한 엔도 뉴 클레아 제는 1978 년 Daniel Nathans, Arber Werner 및 Hamilton Smith가 발견 한 것으로 노벨 의학상을 수상했습니다. 그들의 이름은 일반적으로 처음 관찰 된 유기체에서 유래합니다.

이러한 효소는 DNA 복제 방법 및 기타 분자 생물학 및 유전 공학 전략의 개발에 널리 사용됩니다. 이들의 특정 서열 인식 특성과 인식 부위에 가까운 서열을 절단하는 능력은 유전자 실험에서 강력한 도구가됩니다.

특정 DNA 분자에 작용 한 제한 효소에 의해 생성 된 단편은 효소가 DNA를 절단 한 부위에 대한 정보를 사용하여 원래 분자의 "지도"를 재생성하는 데 사용할 수 있습니다.

일부 제한 효소는 DNA에서 동일한 인식 부위를 가질 수 있지만 반드시 동일한 방식으로 절단하지는 않습니다. 따라서 분자 생물학에서 다른 용도로 사용되는 뭉툭한 끝을 남기는 효소와 응집적인 끝을 남기는 효소가 있습니다.

현재 다양한 상업용 주택에서 제공하는 수백 가지의 상업적으로 이용 가능한 제한 효소가 있습니다. 이러한 효소는 다양한 목적을위한 "맞춤형"분자 가위로 작동합니다.

풍모

제한 효소는 중합 효소의 반대 기능을 수행합니다. 뉴클레오티드 사슬에서 인접한 뉴클레오티드 사이의 포스 포디 에스테르 결합 내에서 에스테르 결합을 가수 분해하거나 끊기 때문입니다.

분자 생물학 및 유전 공학에서 이들은 발현 및 클로닝 벡터의 구성과 특정 서열의 식별을 위해 널리 사용되는 도구입니다. 그들은 또한 재조합 게놈의 구축에 유용하며 큰 생명 공학 잠재력을 가지고 있습니다.

유전자 치료의 최근 발전은 특정 유전자를 살아있는 세포로 수송하는 매개체 인 벡터에 특정 유전자를 도입하기 위해 제한 효소를 현재 사용하고 있으며, 아마도 세포 게놈에 삽입하여 수행 할 수있는 능력을 가지고있을 것입니다. 영구적 인 변화.

행동의 메커니즘

제한 효소는 이중 대역 DNA 절단을 촉매 할 수 있지만 일부는 단일 대역 DNA 서열과 심지어 RNA를 인식 할 수 있습니다. 절단은 시퀀스 인식 후 발생합니다.

작용 기전은 각 DNA 가닥의 골격에있는 인산염 기와 데 옥시 리보스 사이의 포스 포디 에스테르 결합의 가수 분해로 구성됩니다. 많은 효소가 인식하는 동일한 부위에서 절단 할 수있는 반면 다른 효소는 그 전후에 5 ~ 9 개의 염기쌍을 절단합니다.

일반적으로 이러한 효소는 포스페이트 그룹의 5 '말단에서 절단되어 5'포스 포릴 말단과 3 '말단 하이드 록실 말단을 가진 DNA 단편을 생성합니다.

단백질은 DNA의 인식 부위와 직접 접촉하지 않기 때문에 특정 부위가 얻어 질 때까지, 아마도 DNA 가닥의 "슬라이딩"메커니즘을 통해 연속적으로 전위되어야합니다.

효소 절단 동안 각 DNA 가닥의 포스 포디 에스테르 결합은 제한 효소의 활성 부위 중 하나 내에 위치합니다. 효소가 인식 및 절단 부위를 떠날 때, 비특이적 일시적 결합을 통해 그렇게합니다.

종류

현재 5 가지 유형의 제한 효소가 알려져 있습니다. 다음은 각각에 대한 간략한 설명입니다.

I 형 제한 효소

이 효소는 3 개의 서브 유닛 (제한을위한 것, 메틸화를위한 것, DNA의 서열 인식을위한 것)을 가진 큰 오 량체 단백질입니다. 이러한 엔도 뉴 클레아 제는 제한 및 변형 반응을 촉매 할 수있는 다기능 단백질이며, ATPase 활성과 DNA topoisomerase도 있습니다.

이 유형의 효소는 발견 된 최초의 엔도 뉴 클레아 제였으며, 1960 년대에 처음 정제되었으며 그 이후로 깊이 연구되었습니다.

유형 I 효소는 절단 부위가 인식 부위에서 최대 1,000 개 염기쌍의 가변 거리에있을 수있어 실험 재현성 측면에서 신뢰할 수 없기 때문에 생명 공학 도구로 널리 사용되지 않습니다.

II 형 제한 효소

이들은 길이가 4 ~ 8bp 인 정의 된 부위에서 DNA를 절단하는 동종이 량체 또는 사량 체로 구성된 효소입니다. 이러한 절단 부위는 일반적으로 회 문적입니다. 즉, 양방향으로 동일한 방식으로 판독되는 서열을 인식합니다.

박테리아의 많은 II 형 제한 효소는 자신의 DNA가 가져야하는 전형적인 변형이 없기 때문에 외래 특성을 인식 할 때 DNA를 절단합니다.

이들은 DNA 서열을 인식하고 절단하는 데 마그네슘 (Mg +) 이외의 보조 인자가 필요하지 않기 때문에 가장 간단한 제한 효소입니다.

정확한 위치에서 DNA의 간단한 서열을 인식하고 절단하는 데있어 II 형 제한 효소의 정밀도는 분자 생물학의 대부분의 분야에서 가장 널리 사용되고 필수 불가결 한 것 중 하나입니다.

유형 II 제한 효소 그룹 내에는 각각 고유 한 특정 특성에 따라 분류 된 여러 하위 클래스가 있습니다. 이 효소의 분류는 효소 이름 뒤에 A부터 Z까지 알파벳 문자를 추가하여 수행됩니다.

유용성으로 가장 잘 알려진 일부 하위 클래스는 다음과 같습니다.

하위 클래스 IIA

그들은 다른 하위 단위의 이량 체입니다. 그들은 비대칭 서열을 인식하고 절단 효소 생성을위한 이상적인 전구체로 사용됩니다.

하위 클래스 IIB

그들은 하나 이상의 이합체로 구성되며 인식 서열의 양쪽에서 DNA를 절단합니다. 그들은 인식 부위보다 먼저 염기쌍 간격으로 두 가닥의 DNA를 자릅니다.

하위 클래스 IIC

이 유형의 효소는 DNA 가닥의 분열 및 변형 기능을 가진 폴리펩티드입니다. 이 효소는 두 가닥을 비대칭으로 절단합니다.

하위 클래스 IIE

이 서브 클래스의 효소는 유전 공학에서 가장 많이 사용됩니다. 그들은 촉매 부위를 가지고 있으며 일반적으로 알로 스테 릭 이펙터가 필요합니다. 이러한 효소는 효율적인 절단을 수행하기 위해 두 개의 인식 서열 사본과 상호 작용해야합니다. 이 하위 클래스에는 효소 EcoRII 및 EcoRI가 있습니다.

III 형 제한 효소

유형 III 제한 엔도 뉴 클레아 제는 2 개의 서브 유닛으로 만 구성되며, 하나는 DNA 인식 및 변형을 담당하고 다른 하나는 서열 절단을 담당합니다.

이 효소는 기능을 위해 ATP와 마그네슘이라는 두 가지 보조 인자가 필요합니다. 이 유형의 제한 효소는 두 개의 비대칭 인식 부위를 가지고 있으며, ATP 의존적 방식으로 DNA를 전위하고 인식 부위에 인접한 20-30bp 사이에서 절단합니다.

IV 형 제한 효소

유형 IV 효소는 메틸화 표시가있는 DNA를 자르기 때문에 쉽게 식별 할 수 있으며, DNA 서열을 인식하고 절단하는 여러 가지 하위 단위로 구성되어 있습니다. 이 효소는 GTP와 2가 마그네슘을 보조 인자로 사용합니다.

특정 절단 부위는 핵산의 한 가닥 또는 두 가닥 모두에 메틸화 또는 히드 록시 메틸화 사이토 신 잔기가있는 뉴클레오티드 가닥을 포함합니다.

V 형 제한 효소

이 분류는 침입 유기체로부터 특정 DNA 서열을 식별하고 절단하는 CRISPER-Cas 유형 효소를 그룹화합니다. Cas 효소는 CRISPER가 합성 한 가이드 RNA 가닥을 사용하여 침입 유기체를 인식하고 공격합니다.

V 형으로 분류 된 효소는 I 형, II 형 및 II 형 효소에 의해 구조화 된 폴리펩티드입니다. 그들은 거의 모든 유기체의 DNA 부분을 다양한 길이로자를 수 있습니다. 유연성과 사용 편의성으로 인해 이러한 효소는 유형 II 효소와 함께 오늘날 유전 공학에서 가장 널리 사용되는 도구 중 하나입니다.

예

제한 효소는 특히 뉴클레오티드 치환 속도에 대한 정보를 얻기 위해 미토콘드리아 DNA를 사용하는 인구 유전 연구 및 진화 연구에서 DNA 다형성의 검출에 사용되었습니다.

현재 다양한 목적으로 박테리아의 형질 전환에 사용되는 벡터는 다중 제한 효소에 대한 인식 부위가 발견되는 다중 클로닝 부위를 보유하고있다.

이들 효소 중에서 가장 인기있는 것은 EcoRI, II, III, IV 및 V이며, E. coli에서 처음으로 획득하고 설명했습니다. H. influenzae의 HindIII 및 B. amyloliquefaciens의 BamHI.

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