핵산 중간 분해 효소

핵산 중간 분해 효소(核酸中間分解酵素, 영어: endonuclease)는 폴리뉴클레오타이드 사슬 안에서 인산다이에스터 결합을 절단하는 효소이다. 엔도뉴클레이스, 핵산내부가수분해효소(核酸內部加水分解酵素)라고도 한다. 디옥시리보핵산 가수 분해 효소 I(Deoxyribonuclease I)와 같은 일부는 DNA를 상대적으로 비특이적으로 (서열에 관계없이) 절단하지만, 제한 핵산 중간 분해 효소 또는 제한 효소로 불리는 많은 효소들은 매우 특정한 뉴클레오타이드 서열에서만 절단된다. 핵산 중간 분해 효소는 핵산 외부 가수분해 효소(Exonuclease)와 다르며, 핵산 외부 가수분해 효소는 중간부분 대신 인식 서열의 말단을 절단한다. 제한효소는 특정 DNA 서열을 인식하는 세균 및 고균의 핵산 중간 분해 효소이다. 제한 효소에 의한 절단에 대해 인식되는 뉴클레오타이드 서열을 제한 부위라고 한다. 일반적으로 제한 부위는 약 4개에서 6개의 뉴클레오티드의 길이로 된 팔레드로믹 시퀀스가 된다. 대부분의 제한 핵산 중간 분해 효소는 DNA 가닥을 불균일하게 절단하여 상보적인 단일 가닥 말단을 남긴다. 이들 단부는 혼성화를 통해 재연결될 수 있으며, 이를 점착성 말단(Sticky End)로 불린다. 쌍을 이루면 단편의 포스포다이에스터 결합은 DNA 연결 효소에 의해 연결된다. 수백 가지의 제한 핵산 중간 분해 효소가 알려져 있고, 각각 다른 제한 부위를 절단한다. 동일한 핵산 중간 분해 효소에 의해 절단된 DNA 단편은 DNA의 기원에 관계없이 함께 결합 될 수있다. 이러한 DNA를 재조합 DNA라고 한다. 제한 핵산 중간 분해 효소(제한효소, Restriction Enzyme)는 작용 기전에 따라 유형 I, 유형 II, 유형 III의 범주로 나뉜다. 이 효소는 유전공학에서 세균, 식물, 동물 세포 및 합성생물학에 도입하기 위한 재조합 DNA를 만드는 데 사용된다. 가장 유명한 핵산 중간 분해 효소는 Cas9이다. 특정 서열의 절단에 상대적으로 기여하는 제한 효소의 3가지 범주 중 제한 핵산 중간 분해 효소가 존재한다. 유형 I 및 III은 핵산 중간 분해 효소 및 메틸 전이 효소 활성을 포함하는 큰 다중 소단위 복합체이다. 유형 I은 인식 서열로부터 약 1000개 이상의 염기쌍의 임의의 부위에서 절단 할 수 있고, 에너지원으로서 ATP를 필요로 한다. 유형 II는 약간 다르게 작동한다. 이들은 핵산 중간 분해 효소의 단순한 버전이며 분해 과정에서 ATP가 필요하지 않다. II 형 제한 핵산 중간 분해 효소의 일부 예는 Bam HI, Eco RI, Eco RV, Hin dIII 및 Hae III을 포함한다. 그러나, 유형 III은 인식 서열로부터 약 25개의 염기쌍으로 DNA를 절단하고 그 공정에서 ATP를 필요로 한다. 제한 핵산 중간 분해 효소에 대해 일반적으로 사용되는 표기법은 'Vwx yZ'형식이며, 여기서 'Vwx'는 이탤릭체로 제한 핵산 중간 분해 효소가 발견된 종의 속명 첫 글자와 종소명 첫 글자 두 개로 표기한다. 예를 들어, 대장균(Escherichia coli)에서 발견된 핵산 중간 분해 효소의 'Vwx'는 'Eco'가 된다. 또한 헤모필루스 인플루엔자(Haemophilus influenzae)에서 발견된 핵산 중간 분해 효소의 'Vwx'는 'Hin'이 된다. 또한 유형 또는 변형률 식별을 나타내는 선택적 기호 'y'가 존재한다. 예를 들어, 약물 저항 전달 인자 RTF-1을 가진 대장균주 B의 Eco B, 헤모필루스 인플루엔자 d의 Hin d가 그 예시이다. 마지막으로, 특정 유형이나 변종에 여러 가지 다른 제한 효소가 있을 경우, 이것들은 로마 숫자로 표기하며 'Z' 자리에 표기하게 된다. 예를 들어, Hin의 변종주 d로부터의 제한 핵산 중간 분해 효소는 Hin dI, Hin dII, Hin dIII로 명명된다. 분자생물학에 사용되는 제한 효소는 일반적으로 약 4~8개의 염기쌍의 짧은 표적 서열을 인식한다. 예를 들어, Eco RI는 서열 5'–GAATTC –3'을 인식하고 절단한다. 제한 핵산 중간 분해 효소는 여러 유형으로 나뉜다. 제한 핵산 중간 분해 효소는 전형적으로 인식 부위 및 절단 패턴(일반적인 뉴클레오타이드 염기 : A, C, G, T)을 필요로 한다. 인식 부위가 절단 패턴의 영역 밖에 있다면, 제한 핵산 중간 분해 효소는 유형 I로 지칭된다. 인식 서열이 절단 서열과 겹치면 제한 핵산 중간 분해 효소는 유형 II로 지칭된다. 핵산 중간 분해 효소는 DNA 수선에 중요한 역할을 한다. AP 핵산 중간 분해 효소 부위에서 DNA의 절개를 독점적으로 촉매하고, 그 후 후속 절제, 수선 합성 및 DNA 결찰을 위해 DNA를 제조한다. 예를 들어, 탈퓨린화가 발생하면 이 병변은 염기가 없는 디옥시리보스당을 남긴다. AP 핵산 중간 분해 효소는 이 당을 인식하고 이 부위에서 DNA를 절단 한 다음 DNA 수선이 계속되도록 한다. 대장균은 2개의 AP 핵산 중간 분해 효소를 포함한다. 핵산 중간 분해 효소 IV(endoIV) 및 핵산 외부 가수분해 효소 III(exoIII) 진핵생물에서는 하나의 AP 핵산 중간 분해 효소가 존재한다. 아래의 표는 일반적인 원핵생물 및 진핵생물의 핵산 중간 분해 효소이다. 핵산 외부 가수분해 효소 제한효소 핵산 분해 효소 리보뉴클리에이스 AP 핵산 중간 가수분해 효소 “Properties of Exonucleases and Endonucleases”. 《New England BioLabs》. 2017. 2017년 5월 21일에 확인함.  Slor, Hanoch (1975년 4월 14일). “Differenttation between exonucleases and endonucleases and between haplotomic and diplotomic endonucleases using 3H-DNA-coated wells of plastic depression plates as substrate”. 《Nucleic Acids Research》 2 (6): 897–903. doi:10.1093/nar/2.6.897. PMC 343476. PMID 167356.  Stephen T. Kilpatrick; Jocelyn E. Krebs; Lewin, Benjamin; Goldstein, Elliott (2011). 《Lewin's genes X》. Boston: Jones and Bartlett. ISBN 978-0-7637-6632-0.  《Lehninger principles of biochemistry》. San Francisco: W.H. Freeman. 2005. 952쪽. ISBN 978-0-7167-4339-2.  Simon M (2010). 《Emergent computation: Emphasizing Bioinformatics》. New York: Springer. 437쪽. ISBN 978-1441919632.  Smith, HO; Nathans, D (1973년 12월 15일). “A suggested nomenclature for bacterial host modification and restriction systems and their enzymes.”. 《Journal of Molecular Biology》 81 (3): 419–23. doi:10.1016/0022-2836(73)90152-6. PMID 4588280.  Rubin, RA; Modrich, P (1977년 10월 25일). “EcoRI methylase.”. 《The Journal of Biological Chemistry》 252 (20): 7265–72. PMID 332688.  《Molecular biology of the gene》. San Francisco: Pearson/Benjamin Cummings. 2008. ISBN 978-0-8053-9592-1.  《DNA repair and mutagenesis》. Washington, D.C: ASM Press. 2006. ISBN 978-1-55581-319-2.  Alberts B (2002). 《Molecular biology of the cell》. New York: Garland Science. ISBN 978-0-8153-3218-3.  “Structure and function of nucleases in DNA repair: shape, grip and blade of the DNA scissors”. 《Oncogene》 21 (58): 9022–32. December 2002. doi:10.1038/sj.onc.1206135. PMID 12483517.  Tania A. Baker; Kornberg, Arthur (2005). 《DNA replication》. University Science. ISBN 978-1-891389-44-3.  Linn, S; Lehman, IR (1966년 6월 10일). “An endonuclease from mitochondria of Neurospora crassa.”. 《The Journal of Biological Chemistry》 241 (11): 2694–9. PMID 4287861.  Holloman, WK; Holliday, R (1973년 12월 10일). “Studies on a nuclease from Ustilago maydis. I. Purification, properties, and implication in recombination of the enzyme.”. 《The Journal of Biological Chemistry》 248 (23): 8107–13. PMID 4201782.  Gottlieb, J; Muzyczka, N (1990년 7월 5일). “Purification and characterization of HeLa endonuclease R. A G-specific mammalian endonuclease.”. 《The Journal of Biological Chemistry》 265 (19): 10836–41. PMID 2358441.