Restriktaasid

Restriktaasid (sait-spetsiifilised endonukleaasid) on ensüümid, mis lõikavad DNA-ahelat kindlate nukleotiidsete järjestuste juurest. Selliseid spetsiifilisi järjestusi nimetatakse restriktsioonisaitideks. Restriktaase on leitud bakteritest ja arhedest, kus need kaitsevad rakku sissetungivate viiruste eest. Prokarüootides lõikavad restriktaasid vaid võõrast DNA-d, raku enda DNA-d kaitseb restriktaasi eest metülaas, metüleerides A ja C nukleotiidid. Sellist kaitsemehhanismi nimetatakse restriktsiooni-modifikatsiooni süsteemiks. Praeguseks on põhjalikult uuritud üle 3000 restriktaasi ja neist ligikaudu 600 on kasutusel laborite igapäevatöös, et DNA-d modifitseerida ja manipuleerida. Esimene bakteritest isoleeritud restriktaas oli HindII. See eraldati 1970. aastal bakterist Haemophilus influenzae. Selle ja veel mitme restriktaasi avastamise eest anti 1978. aastal Nobeli füsioloogia- või meditsiiniauhind kolmele teadlasele: Daniel Nathans, Werner Arber ja Hamilton O. Smith. Nende avastus pani aluse rekombinantse DNA tehnoloogia arengule, millel on väga palju kasutusalasid, näiteks saab selle tehnoloogia abil kasutada E. coli baktereid kiireks ja suuremahuliseks insuliini tootmiseks. Restriktaasid tunnevad ära teatud nukleotiidse järjestuse ja lõikavad läbi DNA kaksikheeliksi mõlemad ahelad. Restriktsioonisaidis on enamasti 4–8 nukleotiidi ja tihti on see palindroomne, mis tähendab, et nukleotiidide järjestus on mõlemat pidi lugedes sama. DNA-l on kaks palindroomse järjestuse võimalust. Peegelpalindroom (ingl mirror-like palindrome) on sarnane palindroomidega, mis esinevad keeles, näiteks "udu". DNA-järjestuses on peegelpalindroom näiteks GTAATG. Pöördkorduv palindroom (ingl inverted repeat palindrome) on samuti mõlemat pidi samasugune, kuid palindroom esineb komplementaarsetes DNA-ahelates, näiteks järjestuse GTATAC puhul, millele komplementaarne järjestus on CATATG. Pöördkorduvad palindroomid esinevad sagedamini ja omavad suuremat tähtsust kui peegelpalindroomid. Palindroomid võivad ahelates tekitada "volte", kus osa ahelast jääb U-kujuliselt üheahelaliseks. EcoRI restriktaas jätab lõigates kleepuvad otsad: SmaI restriktaas jätab lõigates tömbid otsad: Äratundmisjärjestus on restriktaasidel erinev, mistõttu tekivad lõigates eri pikkusega kleepuvad otsad. Need võivad asuda nii peaahelal kui ka komplementaarsel ahelal. Restriktaase, mis tunnevad ära sama järjestuse, kuid lõikavad erinevatest kohtadest, nimetatakse neoskisomeerideks. Ensüüme, mis tunnevad ära sama järjestuse ja ka lõikavad samade nukleotiidide vahelt, nimetatakse isoskisomeerideks. Restriktaasid jagatakse nelja gruppi (I, II, III ja IV tüüpi) nende struktuuri, vajaliku kofaktori, äratundmisjärjestuse ja restriktsioonisaidi järgi. Kõik restriktaasid tunnevad ära kindla järjestuse ja teevad endonukleolüütilise lõike sellisel viisil, et tekiksid kindla järjestusega 5’ ja 3’ otsad. Nende eristamistunnused on järgnevad: I tüüpi ensüümide (EC 3.1.21.3) restriktsioonisait asub äratundmisjärjestusest eemal. Need vajavad funktsioneerimiseks nii ATP-d kui ka S-adenosüülmetioniini. On multifunktsionaalsed valgud, millel on nii restriktsiooni kui ka metülaasi (EC 2.1.1.72) ülesanded. II tüüpi ensüümide (EC 3.1.21.4) restriktsioonisait asub äratundmisjärjestuse sees või selle lähedal. Enamik neist vajavad magneesiumi. Need on vaid restriktsioonifunktsiooniga metülaasist sõltumatud valgud. III tüüpi ensüümide (EC 3.1.21.5) restriktsioonisait asub äratundmisjärjestuse lähedal. Need vajavad ATP-d (kuid ei hüdrolüüsi seda). S-adenosüülmetioniin stimuleerib reaktsiooni, kuid ei ole vajalik selle toimumiseks. Esineb osana suuremast valgust koos modifitseeriva metülaasiga (EC 2.1.1.72). IV tüüpi ensüümid seonduvad modifitseeritud (näiteks metüleeritud, hüdroksümetüleeritud või glükosüül-hüdroksümetüleeritud) DNA-ga. Need on bakteri viimase järgu kaitseensüümid. I tüüpi restriktaasid olid esimesed, mis avastati ja mille omadusi iseloomustati. Need isoleeriti E. coli bakterist. I tüüpi restriktaaside restriktsioonisait erineb ja on vähemalt 1000 aluspaari kaugusel nende äratundmisjärjestusest. Lõikamine järgneb DNA translokatsioonile, mis tähendab, et need ensüümid on ka molekulaarmootorid. Äratundmisjärjestus on asümmeetriline ja koosneb kahest osast: ühes 3–4 nukleotiidi, teises 4–5 nukleotiidi. Neid eraldab mittespetsiifiline 6–8 nukleotiidi pikkune vaheala. Sellised ensüümid on multifunktsionaalsed ning on sõltuvalt DNA metüleeritusest võimelised nii restriktsiooniks kui ka modifitseerimiseks. Täielikuks aktiivsuseks on neil vaja kofaktoreid S-adenosüülmetioniini, hüdrolüüsitud ATP-d ja magneesiumiioone (Mg2+). I tüüpi restriktaasidel on 3 allüksust: HsdR, HsdM ja HsdS. HsdR on vajalik restriktsiooniks, HsdM on vajalik DNA metüleerimiseks ja HsdS on vajalik mõlemaks: nii eelnevaks ülesandeks kui ka DNA-ga seondumiseks. II tüüpi restriktaasid erinevad I tüüpi restriktaasidest mitmel moel. Need moodustavad homodimeere, mille äratundmisjärjestused on enamasti lahutamata palindroomid, mis on 4–8 nukleotiidi pikad. DNA-d lõikavad need sama koha pealt, kuhu seonduvad, ning ei vaja kofaktorina ATP-d ega S-adenosüülmetioniini, vaid ainult Mg2+ iooni. Selle rühma ensüüme kasutatakse enim ja need on teaduslaborites laialt levinud. 1990. aastatel ja 2000. aastate alguses leiti sellest klassist uusi ensüüme, mis ei vastanud täpselt eelpool mainitud tingimustele. Seetõttu loodi alamklassid, kuhu jaotada ensüüme vastavalt nende erinevustele rühma põhitüübist. Alamklassidele on lisatud järelliide. IIB tüüpi restriktaasid (nt BcgI ja BplI) on multimeerid, mis tähendab, et need koosnevad rohkem kui ühest allüksusest. IIB tüüpi restriktaasid lõikavad ahela läbi mõlemalt poolt äratundmisjärjestust, lõigates kogu seondumisala ahelast välja. Need vajavad kofaktoritena S-adenosüülmetioniini ja Mg2+-ioone. IIE tüüpi restriktaasid (nt NaeI) seonduvad oma äratundmisjärjestusega kahes kohas. Üks neist on replikatsioonisait, teist ala kasutab ensüüm allosteerilise aktivaatorina, mis kiirendab DNA lõikamist. IIF tüüpi restriktaasid (nt NgoMIV) toimivad sarnaselt IIE tüüpi restriktaasidega, kuid lõikavad DNA järjestuse mõlemast seondumisalast korraga. IIG tüüpi restriktaasidel (nt Eco57I) on sarnaselt II tüüpi restriktaasidega üks allüksus, kuid need vajavad kofaktorina S-adenosüülmetioniini. IIM tüüpi restriktaasid (nt DpnI) tunnevad ära ja lõikavad metüleeritud DNA-d. IIS tüüpi restriktaasid (nt FokI) lõikavad DNA-d kindla nukleotiidse järjestuse kauguselt oma äratundmisjärjestusest, mis on asümmeetriline ja mittepalindroomne. Need ensüümid võivad funktsioneerida dimeeridena. IIT tüüpi restriktaasid (nt Bpu10I ja BslI) koosnevad kahest erinevast allüksusest. Mõned selle alamklassi ensüümid seonduvad palindroomse järjestusega, teised asümmeetrilise järjestusega. III tüüpi restriktaasidel (nt EcoP15) on kaks erinevat mittepalindroomset äratundmisjärjestust, mis on vastassuunalised. Ensüüm lõikab DNA-ahela läbi 20–30 aluspaari kauguselt seondumisalast. Nendel ensüümidel on mitu allüksust, need täidavad nii metüleerimise kui ka restriktsiooni ülesannet ning need vajavad S-adenosüülmetioniini ja ATP-d. Selliseid restriktaase kasutavad prokarüoodid selleks, et kaitsta end sissetungiva võõra DNA eest. III tüüpi restriktaasid on hetero-oligomeersed multifunktsionaalsed valgud, mis koosnevad kahest allüksusest (Res ja Mod). Mod-allüksus tunneb ära spetsiifilise DNA järjestuse ja on DNA modifitseerimiseks vajalik metüültransferaas. Res on vajalik restriktsiooniks, kuid iseseisvalt pole see aktiivne. III tüüpi restriktaasidel on 5–6 aluspaari pikkused asümmeetrilised äratundmisjärjestused ning need lõikavad DNA-ahela läbi 25–27 aluspaari kauguselt pärisuunas, jättes vabaks lühikese üheahelalise üleulatuva 5’ otsa. Selleks, et ensüüm lõikaks, on vaja kaht vastupidise suunaga metüleerimata äratundmisjärjestust. III tüüpi ensüümid metüleerivad adenosüüljäägi N-6-positsioonil ühe DNA-ahela, seega on värskelt replitseeritud DNA-l vaid üks metüleeritud ahel, kuid see on piisav, et kaitsta seda uue restriktsiooni eest. Tehislikke restriktaase valmistatakse, liites looduslikke või tehislikke DNA seondumisdomeene nukleaasdomeenidega (selleks on sageli IIS tüüpi restriktaasi FokI-i restriktsioonidomeen). Sünteetilised restriktaasid suudavad ära tunda suuri saite (kuni 36 aluspaari) ja neid võib panna seonduma mis tahes DNA-järjestusega. Tsinksõrmnukleaasid on geenitehnoloogias enim kasutatavad tehislikud restriktaasid. Näiteid restriktaasidest: Tähistused: * = tömp ots N = C või G või T või A W = A või T DNA replikatsioon DNA sekveneerimine ATP Roberts RJ; Murray, Kenneth (november 1976). "Restriction endonucleases". CRC Crit. Rev. Biochem. 4 (2): 123–64. DOI:10.3109/10409237609105456. PMID 795607. Kessler C, Manta V (august 1990). "Specificity of restriction endonucleases and DNA modification methyltransferases a review (Edition 3)". Gene. 92 (1–2): 1–248. DOI:10.1016/0378-1119(90)90486-B. PMID 2172084. Pingoud A, Alves J, Geiger R (1993). "Chapter 8: Restriction Enzymes". Burrell, Michael (toim). Enzymes of Molecular Biology. Methods of Molecular Biology. Kd 16. Totowa, NJ: Humana Press. Lk 107–200. ISBN 0-89603-234-5.{{cite book}}: CS1 hooldus: mitu nime: autorite loend (link) Arber W, Linn S (1969). "DNA modification and restriction". Annu. Rev. Biochem. 38: 467–500. DOI:10.1146/annurev.bi.38.070169.002343. PMID 4897066. Krüger DH, Bickle TA (september 1983). "Bacteriophage survival: multiple mechanisms for avoiding the deoxyribonucleic acid restriction systems of their hosts". Microbiol. Rev. 47 (3): 345–60. PMC 281580. PMID 6314109. Molecular Biology of THE CELL fifth edition (2008). B.Alberts, A.Johnson, J.Lewis, M.Raff, K.Roberts, P.Walter. New York Garland Science. lk 532-555 Kobayashi, Ichizo. "Behavior of restriction–modification systems as selfish mobile elements and their impact on genome evolution". Nucleic Acids Research – cit. via PubMed. Roberts RJ, Vincze T, Posfai J, Macelis D. (2007). "REBASE—enzymes and genes for DNA restriction and modification". Nucleic Acids Res. 35 (Database issue): D269–70. DOI:10.1093/nar/gkl891. PMC 1899104. PMID 17202163.{{cite journal}}: CS1 hooldus: mitu nime: autorite loend (link) Primrose, Sandy B.; Old, R. W. (1994). Principles of gene manipulation: an introduction to genetic engineering. Oxford: Blackwell Scientific. ISBN 0-632-03712-1.{{cite book}}: CS1 hooldus: mitu nime: autorite loend (link) Micklos, David A.; Bloom, Mark V.; Freyer, Greg A. (1996). Laboratory DNA science: an introduction to recombinant DNA techniques and methods of genome analysis. Menlo Park, Calif: Benjamin/Cummings Pub. Co. ISBN 0-8053-3040-2.{{cite book}}: CS1 hooldus: mitu nime: autorite loend (link) Adrianne Massey; Helen Kreuzer (2001). Recombinant DNA and Biotechnology: A Guide for Students. Washington, D.C: ASM Press. ISBN 1-55581-176-0.{{cite book}}: CS1 hooldus: mitu nime: autorite loend (link) Hamilton O. Smith, K. W. Welcox (juuli 1970). "A Restriction enzyme from Hemophilus influenzae ☆: I. Purification and general properties". Journal of Molecular Biology. 51 (2): 379–391. DOI:10.1016/0022-2836(70)90149-X. Roberts RJ (aprill 2005). "How restriction enzymes became the workhorses of molecular biology". Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 102 (17): 5905–8. Bibcode:2005PNAS..102.5905R. DOI:10.1073/pnas.0500923102. PMC 1087929. PMID 15840723. Originaali arhiivikoopia seisuga 19. veebruar 2020. Vaadatud 18. novembril 2012. Danna K, Nathans D (detsember 1971). "Specific Cleavage of Simian Virus 40 DNA by Restriction Endonuclease of Hemophilus Influenzae". Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 68 (12): 2913–7. Bibcode:1971PNAS...68.2913D. DOI:10.1073/pnas.68.12.2913. PMC 389558. PMID 4332003. "The Nobel Prize in Physiology or Medicine". The Nobel Foundation. 1978. Vaadatud 7.06.2008. for the discovery of restriction enzymes and their application to problems of molecular genetics Villa-Komaroff L, Efstratiadis A, Broome S, Lomedico P, Tizard R, Naber SP, Chick WL, Gilbert W. (august 1978). "A bacterial clone synthesizing proinsulin". Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 75 (8): 3727–31. Bibcode:1978PNAS...75.3727V. DOI:10.1073/pnas.75.8.3727. PMC 392859. PMID 358198.{{cite journal}}: CS1 hooldus: mitu nime: autorite loend (link) Pingoud A, Jeltsch A (september 2001). "Structure and function of type II restriction endonucleases". Nucleic Acids Res. 29 (18): 3705–27. DOI:10.1093/nar/29.18.3705. PMC 55916. PMID 11557805. Molecular Biology: Understanding the Genetic Revolution, by David P. Clark. Elsevier Academic Press, 2005. ISBN 0-12-175551-7. Goodsell DS (2002). "The molecular perspective: restriction endonucleases". Stem Cells. 20 (2): 190–1. DOI:10.1634/stemcells.20-2-190. PMID 11897876. [kõdulink] Bickle TA, Krüger DH (juuni 1993). "Biology of DNA restriction". Microbiol. Rev. 57 (2): 434–50. PMC 372918. PMID 8336674. Boyer HW (1971). "DNA restriction and modification mechanisms in bacteria". Annu. Rev. Microbiol. 25: 153–76. DOI:10.1146/annurev.mi.25.100171.001101. PMID 4949033. Yuan R (1981). "Structure and mechanism of multifunctional restriction endonucleases". Annu. Rev. Biochem. 50: 285–319. DOI:10.1146/annurev.bi.50.070181.001441. PMID 6267988. Rao DN, Sistla S (2004). "S-Adenosyl-L-methionine-dependent restriction enzymes". Crit. Rev. Biochem. Mol. Biol. 39 (1): 1–19. DOI:10.1080/10409230490440532. PMID 15121719. Williams RJ (2003). "Restriction endonucleases: classification, properties, and applications". Mol. Biotechnol. 23 (3): 225–43. PMID 12665693. Murray NE (juuni 2000). "Type I Restriction Systems: Sophisticated Molecular Machines (a Legacy of Bertani and Weigle)". Microbiol. Mol. Biol. Rev. 64 (2): 412–34. DOI:10.1128/MMBR.64.2.412-434.2000. PMC 98998. PMID 10839821. PDB: 1qps​ Gigorescu A, Morvath M, Wilkosz PA, Chandrasekhar K, Rosenberg JM (2004). "The integration of recognition and cleavage: X-ray structures of pre-transition state complex, post-reactive complex, and the DNA-free endonuclease". Alfred M. Pingoud (toim). Restriction Endonucleases (Nucleic Acids and Molecular Biology, Volume 14). Berlin: Springer. Lk 137–178. ISBN 3-540-20502-0.{{cite book}}: CS1 hooldus: mitu nime: autorite loend (link) Dryden DT, Murray NE, Rao DN (september 2001). "Nucleoside triphosphate-dependent restriction enzymes". Nucleic Acids Res. 29 (18): 3728–41. DOI:10.1093/nar/29.18.3728. PMC 55918. PMID 11557806.{{cite journal}}: CS1 hooldus: mitu nime: autorite loend (link) Meisel A, Bickle TA, Krüger DH, Schroeder C (jaanuar 1992). "Type III restriction enzymes need two inversely oriented recognition sites for DNA cleavage". Nature. 355 (6359): 467–9. Bibcode:1992Natur.355..467M. DOI:10.1038/355467a0. PMID 1734285.{{cite journal}}: CS1 hooldus: mitu nime: autorite loend (link) Sistla S, Rao DN (2004). "S-Adenosyl-L-methionine-dependent restriction enzymes". Crit. Rev. Biochem. Mol. Biol. 39 (1): 1–19. DOI:10.1080/10409230490440532. PMID 15121719. Bourniquel AA, Bickle TA (november 2002). "Complex restriction enzymes: NTP-driven molecular motors". Biochimie. 84 (11): 1047–59. DOI:10.1016/S0300-9084(02)00020-2. PMID 12595133. Kim YG, Cha J, Chandrasegaran S (veebruar 1996). "Hybrid restriction enzymes: zinc finger fusions to Fok I cleavage domain". Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 93 (3): 1156–60. Bibcode:1996PNAS...93.1156K. DOI:10.1073/pnas.93.3.1156. PMC 40048. PMID 8577732.{{cite journal}}: CS1 hooldus: mitu nime: autorite loend (link) Urnov FD, Rebar EJ, Holmes MC, Zhang HS, Gregory PD (september 2010). "Genome editing with engineered zinc finger nucleases". Nat. Rev. Genet. 11 (9): 636–46. DOI:10.1038/nrg2842. PMID 20717154.{{cite journal}}: CS1 hooldus: mitu nime: autorite loend (link) Townsend JA, Wright DA, Winfrey RJ, Fu F, Maeder ML, Joung JK, Voytas DF (mai 2009). "High frequency modification of plant genes using engineered zinc finger nucleases". Nature. 459 (7245): 442–5. Bibcode:2009Natur.459..442T. DOI:10.1038/nature07845. PMC 2743854. PMID 19404258.{{cite journal}}: CS1 hooldus: mitu nime: autorite loend (link) Shukla VK, Doyon Y, Miller JC, DeKelver RC, Moehle EA, Worden SE, Mitchell JC, Arnold NL, Gopalan S, Meng X, Choi VM, Rock JM, Wu YY, Katibah GE, Zhifang G, McCaskill D, Simpson MA, Blakeslee B, Greenwalt SA, Butler HJ, Hinkley SJ, Zhang L, Rebar EJ, Gregory PD, Urnov FD (mai 2009). "Precise genome modification in the crop species Zea mays using zinc-finger nucleases". Nature. 459 (7245): 437–41. Bibcode:2009Natur.459..437S. DOI:10.1038/nature07992. PMID 19404259.{{cite journal}}: CS1 hooldus: mitu nime: autorite loend (link) Ekker SC (2008). "Zinc Finger–Based Knockout Punches for Zebrafish Genes". Zebrafish. 5 (2): 121–3. DOI:10.1089/zeb.2008.9988. PMC 2849655. PMID 18554175. Geurts AM, Cost GJ, Freyvert Y, Zeitler B, Miller JC, Choi VM, Jenkins SS, Wood A, Cui X, Meng X, Vincent A, Lam S, Michalkiewicz M, Schilling R, Foeckler J, Kalloway S, Weiler H, Ménoret S, Anegon I, Davis GD, Zhang L, Rebar EJ, Gregory PD, Urnov FD, Jacob HJ, Buelow R (juuli 2009). "Knockout Rats Produced Using Designed Zinc Finger Nucleases". Science. 325 (5939): 433. Bibcode:2009Sci...325..433G. DOI:10.1126/science.1172447. PMC 2831805. PMID 19628861.{{cite journal}}: CS1 hooldus: mitu nime: autorite loend (link) Roberts RJ (jaanuar 1980). "Restriction and modification enzymes and their recognition sequences". Nucleic Acids Res. 8 (1): r63–r80. DOI:10.1093/nar/8.1.197-d. PMC 327257. PMID 6243774. R.J Roberts, 1988, Nucl Acids Res. 16(suppl):271 From p.213 Molecular Cell Biology 4th Edition by Lodish, Berk, Zipursky, Matsudaira, Baltimore and Darnell. Monty Krieger; Matthew P Scott; Matsudaira, Paul T.; Lodish, Harvey F.; Darnell, James E.; Lawrence Zipursky; Kaiser, Chris; Arnold Berk (2004). Molecular Cell Biology (5th ed.). New York: W.H. Freeman and Company. ISBN 0-7167-4366-3.{{cite book}}: CS1 hooldus: mitu nime: autorite loend (link) "Stu I from Streptomyces tubercidicus". Sigma-Aldrich. Vaadatud 7.06.2008. Shimotsu H, Takahashi H, Saito H (november 1980). "A new site-specific endonuclease StuI from Streptomyces tubercidicus". Gene. 11 (3–4): 219–25. DOI:10.1016/0378-1119(80)90062-1. PMID 6260571.{{cite journal}}: CS1 hooldus: mitu nime: autorite loend (link)