Restriksiyon modifikasyon sistemi

Restriksiyon modifikasyon sistemi (RM sistemi) bakterilerin kendilerini yabancı DNA'dan korumak için kullandığı bir sistemdir. RM sistemleri iki unsurdan oluşur: 1) yabancı DNA'yı belli noktalarında kesen restriksiyon enzimleri ve 2) konak hücrenin DNAsının kesilmemesi için ona metil grupları ekleyen metilaz enzimlerinden oluşur. Bir RM sistemindeki restriksiyon enzimi ve metilaz aynı DNA dizi motifini tanır, eğer o dizi metillenmişse DNA kesilmez. RM sistemlerinin tanıdığı DNA dizisi bakteri türleri arasında farklılık gösterdiği için, yabancı DNA eğer başka türden bir bakteriden kayanklanıyorsa muhtemelen farklı bir metilasyon gösterir ve yabancı olarak algılanır. Hücreye dışarıdan (örneğin bir bakteriyofaj yoluyla) gelen DNA eğer uygun yerlerde metil grupları taşımıyorsa hücreye zarar veremeden parçalanır. Bilinen bakterilerin yaklaşık yarısının RM sistemi vardır, ve bunların yarısında birden fazla RM sistemi bulunur.

Bakterilerin kendilerini yabancı DNA moleküllerden koruaybilme yetenği ilk 1950'lerde fark edildi. Bazı bakteriler başka suşlarda büyütülmüş virüslerin büyümesini engelemekte (kısıtlamaktaydı). Bu etkinin diziye spesifik restriksiyon enzimlerinden kaynaklandığı bulundu.

Restriksiyon enzimleri (veya restriksiyon endonükleazları) çift iplikli DNA'ları belli noktalarda keserler, meydana gelen DNA parçaları ardından başka endonükleazlar tarafından parçalanır. Restriksiyon enzimi DNA'yı 4-6 baz uzunluğunda spesifik dizilerde keser, bunlar genelde palindromik dizilerdir. Bu tanıma dizileri kısa olduğu için bakteri kromozomunda da bu dizilerden pek çok sayıda bulunur. Restriksiyon enziminin bakterinin kendi DNA'sını kesmemesi için bakteri aynı diziye spesifik bir metilaz enzimi ile kendi DNA'sına metil grupları ekler. Bu metil grupları DNA'nın baz eşleşmesini ve transkripsiyonunu engellemez ama restriksiyon enziminin DNA'yı o noktada tanıyıp kesmesine engeller.

Üç tip restriksiyon modifikasyon sistemi vardır, bunlar tip I, tip II ve tip III olarak adlandırılırlar. Her birinde restriksiyon enzimi ve metilaz aktivitesi bulunur. bu adlandırma keşfediliş sırasına göredir ama Tip II sistemler en yaygındır.

Tip I sistemler en karmaşıktır, üç proteinden oluşurlar: R (restriksiyon), M (modifikasyon) ve S (spesifisite). Meydana gelen kompleks DNAyı hem keser hem metiller. Her iki reaksiyon ATP gerektirir, kesim noktası tanıma yerinden oldukça uzakta olur. S altbirimi hem restriksiylon hem metilazın spesifisitesini belirler. Kesim noktası uzakta olduğu için jel elektroforezi ile kesilen DNA parçaları ayrıştırıldığı zaman ayrık bantlar görülmez.

Tip II sistemler daha basittir ve çok yaygındır. Bir kompleks olarak çalışmak yerine metiltransferaz ve endonükleaz ayrı proteinler olarak kodlanır ve birbirlerinden bağımsız olarak etkirler. Bir spesifisite proteini yoktur. Her iki protein aynı tanıma yerini tanır ve dolayısıyla kendi etkinlikleri için birbirleriyle yarışırlar. Metiltransferaz monomer olarak etkir, bir defada DNA'nın bir ipliğini metiller. Endonükleaz bir homodimer olarak etkir ve iki ipliğin birlikte kesişmesini sağlar. Kesim, tanıma dizisinin içinde veya ona yakın bir yerde olur, bunun sonucu meydana gelen DNA parçaları jel elektroforezinde ayrık bantlar olarak görünür. Bu nedenle, Tip II sistemler laboratuvarda gen klonlaması ve DNA analizi için kullanılır.

Tip III sistemlerde R ve M proteinleri birlikte bir kompleks oluştururlar. Ancak, metilaz proteini kendi başına da çalışabilir. Diğer mekanizmalardan farklı olarak metilasyon sadece bir iplik üzerinde meydana gelir. R ve M proteinlerinden meydana gelen kompleks aynı yeri metilleyip keserek kendi kendisiyle yarışır. Bu yüzden DNA'nın sindirimi kısmî olur.

RM sistemleri plazmitlere klonlanabilir ve metilasyon enziminin sağladığı dirençten yararlanılarak seçilebilir. Plazmit ikilenmeye başlayınca metilaz enzimi üretilir ve plazmit DNA'sını metiller, böylece onu spesifik restriksiyon enziminden korur.

Bazı virüsler restriksiyon modifikasyon sistemlerinin etkisinden korunacak çekilde evrimleşmişlerdir. Bu virüsler kendi DNA'larına metil veya glikosil grupları ekleyerek onu modifiye ederler, böylece restriksiyon enzimini bloke ederler. Başka virüsler ise, T3 ve T7 bakteriyofajları gibi, restriksiyon enzimlerini inhibe eden proteinler kodlarlar.

Bu virüslere karşı gelebilmek için bazı bakteriler modifiye olmuş DNA'yı tanıyıp kesen restriksiyon enzimleri evrimleştirmişlerdir, bu enzimler konak hücrenin modifiye olmamış DNA'sını kesmezler. Bazı prokaryotlar birden çok restriksiyon modifikasyon sistemine sahiptir.