Restriktionsenzyme

Restriktionsenzyme, genauer Restriktionsendonukleasen, sind Enzyme, welche DNA innerhalb einer Sequenz schneiden können.

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Jede Restriktionsendonuklease erkennt eine spezifische DNA-Basensequenz. Nach ihren Eigenschaften unterscheidet man drei Typen:

• Typ I Schneidet die DNA an einer zufälligen Stelle weit von der Erkennungssequenz entfernt. Benötigt ATP und transferiert eine Methylgruppe von S-Adenosyl-Methionin.
• Typ II Schneidet die DNA innerhalb der Erkennungssequenz. Benötigt kein ATP und hat keine Methyltransferase-Aktivität.
• Typ III Schneidet die DNA etwa 20 bis 25 Basenpaare von der Erkennungssequenz entfernt. Benötigt ATP und transferiert eine Methylgruppe von S-Adenosyl-Methionin.

Im allgemeinen Sprachgebrauch wird der Begriff Restriktionsenzym meist mit den Restriktionsendonukleasen vom Typ II gleichgesetzt, da die Enzyme der Typen I und III in der Molekularbiologie nur eine geringe Bedeutung besitzen. Die Namen der Restriktionsenzyme geben ihre Herkunft an. Der erste Buchstabe steht für die Gattung, der zweite und dritte für die Art, erweitert wird es durch Namenszusätze und die chronologische Abfolge der Entdeckung. Das Enzym EcoRI ist beispielsweise das erste Enzym, das in dem Stamm Escherichia coli R(rough) gefunden wurde und AluI das erste Enzym aus Arthrobacter luteus. Restriktionsenzyme unterschiedlicher Herkunft mit identischer Erkennungssequenz und gleichem Schnittmuster werden Isoschizomere genannt. Schneiden sie innerhalb der selben Sequenz, hinterlassen aber unterschiedliche Schnittenden, bezeichnet man sie als Neoschizomere.

Die Erkennungssequenzen der Restriktionsendonukleasen vom Typ II bestehen meist aus palindromischen Sequenzen von vier, sechs oder acht Basenpaaren. Der Schnitt kann versetzt (engl. sticky ends, deut. klebrige Enden, z.B. EcoRI) oder gerade sein (engl. blunt ends, deut. stumpfe Enden oder glatte Enden, z.B. AluI). Klebrige Enden sind leichter ligierbar. Die Erkennungssequenz des EcoRI lautet GAATTC. Der Schnitt erfolgt zwischen dem G und dem A.

Geschichte

Mit der Entdeckung der Restriktionsenzyme begann die Entwicklung der Molekularbiologie. Sie ermöglichen die gezielte Herstellung von DNA-Fragmenten, die dann isoliert und zu neuen Konstruktionen zusammengesetzt werden können. Enzyme, die klebrige Enden erzeugen, sind dabei besonders hilfreich, da sich die überlappenden Enden leicht miteinander verbinden lassen. Für ihre grundlegenden Arbeiten zur "Entdeckung der Restriktionsenzyme und ihre Anwendung in der Molekulargenetik" bekamen Werner Arber, Daniel Nathans und Hamilton Othanel Smith 1978 den Nobelpreis für Physiologie oder Medizin.

Der Name „Restriktionsenzym“ stammt von dem bakteriellen Restriktions-Modifikationssystem, das der Abwehr fremder (viraler) DNA dient. Viele Bakterien besitzen stammspezifische Restriktionsendonukleasen. In der eigenen DNA sind die entsprechenden Erkennungssequenzen modifiziert (methyliert) und werden daher nicht geschnitten. Wenn Viren, die sich in den Bakterien vermehren (Bakteriophagen), ihre DNA in die Zellen injizieren, ist diese nicht methyliert und wird abgebaut. Nur Viren, die aus Bakterien desselben Stammes kommen, besitzen das richtige Methylierungsmuster und können sich weiter vermehren. Die Vermehrung der Viren ist damit auf diesen Stamm „beschränkt“ (Restriktion = Beschränkung).

Die Positionen der Schnittstellen einzelner Restriktionsenzyme werden oft in Restriktionskarten dargestellt. Solche Karten gibt es beispielsweise für Genome und Plasmide. Über die Länge der DNA-Fragmente, die beim Schneiden der DNA durch Restriktionsenzyme entstehen, können DNA-Abschnitte im Vergleich mit einer Restriktionskarte identifiziert werden.

Beispiele

5'-GAATTC-3'
3'-CTTAAG-5'

5'-G     AATTC-3'
3'-CTTAA     G-5'

5'GGATCC
3'CCTAGG

5'---G     GATCC---3'
3'---CCTAG     G---5'

5'AAGCTT
3'TTCGAA

5'---A     AGCTT---3'
3'---TTCGA     A---5'

5'-CATATG-3'
3'-GTATAC-5'

5'-CA     TATG-3'
3'-GTAT     AC-5'

5'-CCCGGG-3'
3'-GGGCCC-5'

5'-CCC     GGG-3'
3'-GGG     CCC-5'

5'-CGATCG-3'
3'-GCTAGC-5'

5'-CGAT     CG-3'
3'-GC     TAGC-5'

5'-GCATGC-5'
3'-CGTACG-3'

5'-GCATG     C-3'
3'-C     GTACG-5'

5'TCGA
3'AGCT

5'---T   CGA---3'
3'---AGC   T---5'

5'GCGGCCGC
3'CGCCGGCG

5'---GC   GGCCGC---3'
3'---CGCCGG   CG---5'

5'GANTC
3'CTNAG

5'---G   ANTC---3'
3'---CTNA   G---5'

5'GATC
3'CTAG

5'---     GATC---3'
3'---CTAG     ---3'

5'CAGCTG
3'GTCGAC

5'---CAG  CTG---3'
3'---GTC  GAC---5'

5'GGCC
3'CCGG

5'---GG  CC---3'
3'---CC  GG---5'

5'AGCT
3'TCGA

5'---AG  CT---3'
3'---TC  GA---5'

5'GATATC
3'CTATAG

5'---GAT  ATC---3'
3'---CTA  TAG---5'

5'GGTACC
3'CCATGG

5'---GGTAC  C---3'
3'---C  CATGG---5'

5'CTGCAG
3'GACGTC

5'---CTGCA  G---3'
3'---G  ACGTC---5'

5'GAGCTC
3'CTCGAG

5'---GAGCT  C---3'
3'---C  TCGAG---5'

5'GTCGAC
3'CAGCTG

5'---G  TCGAC---3'
3'---CAGCT  G---5'

5'AGTACT
3'TCATGA

5'---AGT  ACT---3'
3'---TCA  TGA---5'

5'TCTAGA
3'AGATCT

5'---T  CTAGA---3'
3'---AGATC  T---5'