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2014-01-26T16:10:30Z

以“限制性核酸内切酶（restriction endonuclease）:识别并切割特异的双链DNA序列的一种内切核酸{{百科小图片|bk9pt.jpg|}}酶。 [别名]...”为内容创建页面

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[[限制性核酸内切酶]]（restriction endonuclease）:识别并切割特异的双链DNA序列的一种内切核酸{{百科小图片|bk9pt.jpg|}}酶。

[别名] Endodeoxyribonuclease

［[[酶反应]]］ [[限制性内切酶]]能分裂DNA[[分子]]在一限定数目的专一部位上。它能识别外源DNA并将其降解。

[单位定义] 在指明pH与37℃，在0.05mL反应混合物中，1小时[[消化]]1μg的λDNA的酶量为1单位。　　
==性状==
[性状] 制品不含非专一的[[核酸]][[水解酶]](由10单位[[内切酶]]与1μg λDNA，保温16小时所得的[[凝胶电泳]]图谱的稳定性表示)。

限制性核酸内切酶的命名；一般是以微生物属名的第一个字母和[[种名]]的前两个字母组成，第四个字母表示[[菌株]](品系)。例如，从Bacillus amylolique faciens H中提取的限制性内切酶称为Bam H，在同一品系[[细菌]]中得到的识别不同[[碱基顺序]]的几种不同特异性的酶，可以编成不同的号，如HindII、HindIII，HpaI、HpaII，MboI、MboI等。

在生物体内有一类酶，它们能将外来的DNA切断，即能够限制[[异源]]DNA的侵入并使之失去活力，但对自己的DNA却无损害作用，这样可以保护[[细胞]]原有的[[遗传信息]]。由于这种切割作用是在DNA分子内部进行的，故名限制性内切酶(简称[[限制酶]])。限制酶是[[基因工程]]中所用的重要切割工具。科学家已从[[原核生物]]中分离出了许多种限制酶，并且已经商品化，在基因工程中广泛使用。根据[[限制酶切]]割的特点，可将它们分为两大类：一类是切割部位无特异性的；另一类是可特异性地识别[[核苷酸序列]]，即只能在一定的DNA序列上进行切割。这种能被特异性识别的切割部位都具有[[回文序列]]，也就是在切割部位，一条链正向读的碱基顺序与另一条链反向读的顺序完全一致。在基因工程中使用的多数是后一类酶。限制酶在特定切割部位进行切割时，按照切割的方式，又可以分为错位切和平切两种。错位切一般是在两条链的不同部位切割，中间相隔几个[[核苷酸]]，切下后的两端形成一种回文式的[[单链]]末端，这个末端能与具有[[互补碱基]]的目的[[基因]]的DNA片段连结，故称为黏性末端。这种酶在基因工程中应用最多。另一种是在两条链的特定序列的相同部位切割，形成一个无黏性末端的平口。

在基因操作过程中，除了限制酶以外，还要用一系列的酶类，才能完成全过程。例如，碱性磷[[酸酯]]酶、DNA[[多聚酶]]、[[末端转移酶]]、[[多核苷酸]]酶、[[逆转录酶]]等。这些酶都有各自特殊的[[催化]]功能，现在都有商品出售，可以根据不同的需要选用。　　
==简短定义==
DNA限制性内切酶：

生物体内能识别并切割特异的双链DNA序列的一种[[内切核酸酶]]。它可以将外来的DNA切断的酶，即能够限制异源DNA的侵入并使之失去活力，但对自己的DNA却无损害作用，这样可以保护细胞原有的遗传信息。由于这种切割作用是在DNA分子内部进行的，故名限制性内切酶(简称限制酶)。

<b>限制性内切酶综述</b>

(Restriction Endonucleases: An Overview)

30多年前，当人们在对[[噬菌体]]的[[宿主]]特异性的限制-修饰现象进行研究时，首次发现了限制性内切酶。细菌可以抵御新[[病毒]]的入侵，而这种"限制"病毒生存的办法则可归功于细胞内部可摧毁外源DNA的限制性内切酶。首批被发现的限制性内切酶包括来源于[[大肠杆菌]]的EcoR I和EcoR II，以及来源于Haemophilus influenzae的Hind II和Hind III。这些酶可在特定[[位点]]切开DNA，产生可体外连接的基因片段。研究者很快发现内切酶是研究[[基因组]]成、功能及表达非常有用的工具。

当限制性内切酶的应用在上世纪七十年代流传开来的时候，以NEB为代表的许多公司开始寻找更多的限制性内切酶。除了某些病毒以外，限制性内切酶只在原核生物中被发现。人们正在从数以千计的细菌及[[古细菌]]中寻找新的限制性内切酶。而对已测序的[[原核]]基因组数据分析表明，限制性内切酶在原核生物中普遍存在--所有自由生存的细菌和古细菌似乎都能编码限制性内切酶。

限制性内切酶的形式多样，从大小上来说，它们可以小到如Pvu II（157个[[氨基酸]]），也可以比1250个氨基酸的Cje I更大。在已[[纯化]]分类的4000种限制性内切酶中，已发现了超过250种的特异识别序列。其中有30%是在NEB发现的。对具有未知特异识别序列的限制性内切酶的研究发现工作仍在继续。人们从分析细胞提取物的[[生化]]角度研究的同时，也采用计算机分析已知的基因组数据，以期有更多的发现。尽管很多新发现的酶的识别序列与已有的重复--即[[同裂酶]]，仍然有识别新位点的酶不断被发现。

上世纪80年代，NEB开始克隆并表达限制性内切酶。克隆技术由于将限制性内切酶的表达与原有细胞环境分离开来，避免了原细胞中其它内切酶的污染，从而提高了酶的纯度。此外，克隆技术提高了限制性内切酶的产量，简化了纯化过程，使得生产成本显著降低；克隆的基因很容易进行测序分析，表达出的[[蛋白]]也能进行X[[射线]]结晶分析，这使得我们对于克隆产物更加确定。　　
==限制性内切酶==
一、限制与修饰（Restriction and modification）

1．限制与修饰现象

早在 50 年代初，有许多学者发现了限制与修饰现象，当时称作寄主控制的[[专一性]]（host controlled specificity）。 l 噬菌体表现的现象便具有代表性和普遍性，其在不同宿主中的[[转染]]频率可说明这一问题（表 2-1）。 l 在[[感染]]某一宿主后，再去感染其它宿主时会受到限制。

E.coli 菌株 λ噬菌体[[感染率]]

lK lB lC

E.coli K 1 10-4 10-4

E.coli B 10-4 1 10-4

E.coli C 1 1 1

说明 K 和 B 菌株中存在一种限制系统，可排除外来的 DNA 。 10-4 的存活率是由宿主修饰系统作用的结果，此时限制系统还未起作用。而在 C 菌株不能限制来自 K 和 B 菌株的 DNA 。限制作用实际就是限制酶降解外源 DNA ，维护宿主遗传稳定的保护机制。[[甲基化]]是常见的修饰作用，可使[[腺嘌呤]] A 成为 N6 甲基-腺膘呤，[[胞嘧啶]] C 成为 5' [[甲基胞嘧啶]]。通过甲基化作用达到识别自身遗传物质和外来遗传物质的目的。

2．限制酶的发现

在 20 世纪 60 年代，人们就注意到 DNA 在感染宿主后会被降解的现象，从而提出限制性切酶和限制酶的概念。 1968 年，首次从 E.coli K 中分离到限制酶，它有特定的[[识别位点]]但没有特定的切割位点，其中切割位点离识别位点达 1000bp 以上。

1970 年，美国约翰.霍布金斯大学的 H. Smith 于偶然中发现，[[流感嗜血杆菌]] （Haemophilus influenzae）能迅速降解外源的噬菌体 DNA ，其细胞提取液可降解 E.coli DNA ，但不能降解自身 DNA ，从而找到 HindⅡ 限制性内切酶。 HindⅡ 限制性内切酶位点和切割位点如下：

5 '… GTPy ↓ PuAC … 3 '

3 '… CAPu ↑ PyTG … 5 '

从此以后，发现的限制酶越来越多，并且许多已经在实践中得到应用。 EcoRⅠ 是应用最广泛的限制性内切酶，[[酶切位点]]和切割位点如下：

5' G↓AATTC 3'

3' CTTAA↑G 5'

限制性内切酶的命名遵循一定的原则，主要依据来源来定，涉及宿主的种名、菌株号或生物型。命名时，依次取宿主属名第一字母，种名头两个字母，菌株号，然后再加上序号（罗马字）。如 HindⅢ 限制性内切酶， Hin 指来源于流感嗜血杆菌， d 表示来自菌株 Rd ， Ⅲ 表示序号。以前在限制性内切酶和修饰酶前加 R 或 M ，且菌株号和序号小写。但现在限制性内切酶名称中的 R 省略不写。

1986 年下半年发现 615 种限制酶和 98 种甲基化酶； 1998 年发现 10000 种细菌或古细菌中存在 3000 种酶，且酶有 200 多种特异性。到 2005 年 1 月，共发现 4342 种限制酶和甲基化酶，其中限制酶有 3681 种，包括 Ⅰ 型、 Ⅱ 型、 Ⅲ 型限制酶各有 59 、3612 、10 种，甲基化指导的限制酶有 3 种，商业化的限制酶有 588 种，在 Ⅱ 型限制酶中共有 221 种特异性。

3．限制与修饰系统的种类

根据酶的[[亚单位]]组成、识别序列的种类和是否需要辅助因子，限制与修饰系统至少可分为四类。表 2-2 是各种限制与修饰系统的比较。

Ⅱ 型（type Ⅱ）限制与修饰系统所占的比例最大，达 93% 。 Ⅱ 型酶相对来说最简单，它们识别回文对称序列，在回文序列内部或附近切割 DNA ，产生带 3'- [[羟基]]和 5'- [[磷酸基]]团的 DNA 产物，需 Mg2+ 的存在才能发挥活性，相应的修饰酶只需 SAM 。识别序列主要为 4-6bp ，或更长且呈二重对称的特殊序列，但有少数酶识别更长的序列或简并序列，切割位置因酶而异，有些是隔开的。

Ⅱs 型（type Ⅱs）限制与修饰系统，占 5% ，与 Ⅱ 型具有相似的[[辅因子]]要求，但识别位点是非对称，也是非间断的，长度为 4-7bp ，切割位点可能在识别位点一侧的 20bp 范围内。

Ⅱ 型限制酶一般是[[同源]][[二聚体]]（homodimer），由两个彼此按相反方向结合在一起的相同亚单位组成，每个亚单位作用在 DNA 链的两个[[互补位]]点上。修饰酶是单体，修饰作用一般由两个[[甲基转移酶]]来完成，分别作用于其中一条链，但甲基化的[[碱基]]在两条链上是不同的。

在 Ⅱ 型限制酶中还有一类特殊的类型，该酶只切割双链 DNA 中的一条链，造成一个切口，这类限制酶也称切口酶（nicking enzyme），如 N.Bst NBI 。

Ⅰ 型（type Ⅰ）限制与修饰系统的种类很少，只占 1% ，如 EcoK 和 EcoB 。其限制酶和甲基化酶（即 R [[亚基]]和 M 亚基）各作为一个亚基存在于酶分子中，另外还有负责识别 DNA 序列的 S 亚基，分别由 hsdR 、hsdM 和 hsdS 基因编码，属于同一[[操纵子]]（[[转录单位]]）。 EcoK 编码基因的结构为 R2M2S 。 EcoB 编码基因的结构为 R2M4S2 。

EcoB 酶的识别位点如下，其中两条链中的 A 为甲基化位点， N 表示任意碱基。

TGA*（N）8TGCT

EcoK 酶的识别位点如下，其中两条链中的 A 为可能的甲基化位点。

AA°C（N）6GTGC

但是 EcoB 酶和 EcoK 酶的切割位点在识别位点 1000bp 以外，且无特异性。

Ⅲ 型（type Ⅲ）限制与修饰系统的种类更少，所占比例不到 1% ，如 EcoP1 和 EcoP15 。它们的识别位点分别是 AGACC 和 CAGCAG ，切割位点则在下游 24-26bp 处。

在基因操作中，一般所说的限制酶或修饰酶，除非特指，均指 Ⅱ 型系统中的种类。

表2-2：各种限制与修饰系统的比较

Ⅱ Ⅰ Ⅲ

酶分子

内切酶与甲基化酶

分子不在一起

三亚基双功能酶

二亚基双功能酶

识别位点

4-6bp, 大多数为回文对称结构

二分非对称

5-7bp 非对称

切割位点在识别位点中或靠近识别位点

无特异性，至少在识别位点外 1000bp

在识别位点下游 24-26bp

限制反应与甲基化反应

分开的反应

互斥

同时竞争

限制作用是否需用 ATP

No

Yes

Yes

二、限制酶识别的序列

1．限制酶识别序列的长度

限制酶识别序列的长度一般为 4-8 个碱基，最常见的为 6 个碱基（表2-3）。当识别序列为 4 个和 6 个碱基时，它们可识别的序列在完全随机的情况下，平均每 256 个和 4096 个碱基中会出现一个识别位点（4^4=256，4^6=4096）。以下是几个有代表性的种类，箭头指切割位置。

4 个碱基识别位点：Sau3AⅠ ↓GATC

5 个碱基识别位点：EcoRⅡ ↓CCWGG

NciⅠ CC↓SGG

6 个碱基识别位点：EcoRⅠ G↓AATTC

HindⅢ A↓AGCTT

7 个碱基识别位点：BbvCⅠ CC↓TCAGC

PpuMⅠ RG↓GWCCY

8 个碱基识别位点：NotⅠ GC↓GGCCGC

SfiⅠ GGCCNNNN↓NGGCC

以上序列中部分字母代表的碱基如下。

R=A 或 G Y=C 或 T M=A 或 C

K=G 或 T S=C 或 G W=A 或 T

H=A 或 C 或 T B=C 或 G 或 T V=A 或 C 或 G

D=A 或 G 或 T N=A 或 C 或 G 或 T

2．限制酶识别序列的结构

限制酶识别的序列大多数为回文对称结构，切割位点在 DNA 两条链相对称的位置。 EcoRⅠ 和 HindⅢ 的识别序列和切割位置如下。

EcoRⅠ G↓AATTC HindⅢ A↓AGCTT

CTTAA↑G TTCGA↑A

有一些限制酶的识别序列不是对称的，如 AccBSⅠ[CCGCTC（-3/-3）] 和 BssSⅠ[CTCGTG（-5/-1）]。识别序列后面括号内的数字表示在两条链上的切割位置。

AccBSⅠ CCG↓CTC BssSⅠ C↓TCGTG

GGC↑GAG GAGCA↑C

有一些限制酶可识别多种序列，如 AccⅠ 识别的序列是 GT↓MKAC ，也就是说可识别 4 种序列，其中两种是对称的，另两种是非对称的。 HindⅡ 识别的序列是 GTY↓RAC 。

有一些限制酶识别的序列呈间断对称，对称序列之间含有若干个任意碱基。如 AlwNⅠ 和 DdeⅠ ，它们的识别序列如下。

AlwNⅠ CAGNNNC↓TG DdeⅠ C↓TNAG

GT↑CNNNGAC GANT↑C

3．限制酶切割的位置

限制酶对 DNA 的切割位置大多数在内部，但也有在外部的。在外部的，又有两端、两侧和单侧之别。切点在两端的有 Sau3AⅠ（↓GATC）、NlaⅢ（CATG↓）和 EcoRⅡ（↓CCWGG）等；在两侧的有 BcgⅠ[（10/12）CGA（N）6TGC（12/10）]和 TspRⅠ（CASTGNN↓）， BcgⅠ 酶的切割特性与其它酶不同，它们在识别位点的两端各切开一个断点，而不是只产生一个断点。切点在识别位点外侧的还有 BbvⅠ[GCAGC（8/12）] 和 BspMⅠ[ACCTGC（4/8）] 等。

BcgⅠ ↓10（N）CGA（N）6TGC（N）12↓ TspRⅠ NNCAC（G）TGNN↓

↑12（N）CGA（N）6ACG（N）10↑ ↑NNGTG（C）ACNN

三、限制酶产生的末端

1．限制酶产生匹配粘端（matched ends）

识别位点为回文对称结构的序列经限制酶切割后，产生的末端为匹配粘端，亦即[[粘性末端]]（cohesive end），这样形成的两个末端是相同的，也是互补的。若在对称轴 5' 侧切割[[底物]]， DNA 双链交错断开产生 5' 突出粘性末端，如 EcoRⅠ ；若在 3'-侧切割，则产生 3' 突出粘性末端，如 KpnⅠ 。

NNG↓AATTCNN EcoRⅠ NNG AATTCNN

NNCTTAA↑GNN NNCTTAA GNN

2．限制酶产生平末端（Blunt end）

在回文对称轴上同时切割 DNA 的两条链，则产生平末端，如 HaeⅢ（GG↓CC）和 EcoRV（GAT↓ATC）。产生平末端的 DNA 可任意连接，但连接效率较粘性末端低。

3．限制酶产生非对称突出端

许多限制酶切割 DNA 产生非对称突出端。当识别序列为非对称序列时，切割的 DNA 产物的末端是不同的，如 BbvCⅠ ，它的识别切割位点如下。

CC↓TCAGC

GGAGT↑CG

有些限制酶识别简并序列，其识别的序列中有几种是非对称的。如 AccⅠ ，它的识别切割位点如下，其中 GTAGAC 和 GTCTAC 为非对称。

GT↓AT/CGAC

CATA/GC↑TG

有些限制酶识别间隔序列，[[间隔区]]域的序列是任意的，如 DraⅢ 和 EarⅠ

[[分类:生物]][[分类:分子生物学]]

限制性内切酶 - 版本历史

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