内切酶

限制性核酸内切酶是可以识别并附着特定的核酸序列，并对每条链中特定部位的两个脱氧核糖核苷酸之间的磷酸二键进行切割的一类酶，简称限制酶。根据限制酶的结构，辅因子的需求切位与作用方式，可将限制酶分为三种类型，分别是第一型（Type I）、第二型（Type II）及第三型（Type III）。Ⅰ型限制性内切酶既能催化宿主脱氧核糖核酸的甲基化，又催化非甲基化的DNA的水解；而Ⅱ型限制性内切酶只催化非甲基化的DNA的水解。Ⅲ型限制性内切酶同时具有修饰及认知切割的作用。

简介

英文名

endonuclease

特点

这是一类能从DNA分子中间水解磷酸二酯键,从而切断双链DNA的核酸水解酶。它们不同于一般的脱氧核糖核酸酶（DNase）,它们的切点大多很严格，要求专一的核苷酸顺序 ——识别顺序。长期以来，难以深入研究的DNA大分子，借此可以切割成特定的小片段来分析。限制性核酸酶的发现，为基因结构、脱氧核糖核酸碱基顺序分析和基因工程的研究开辟了途径。为此，W.阿尔伯，H.史密斯和D.内森斯三人共同获得了1978年诺贝尔生理学或医学奖。

分类

内切酶主要分成三大类。

第一类内切酶能识别专一的核苷酸顺序，并在识别点附近的一些核苷酸上切割DNA分子中的双链，但是切割的核苷酸顺序没有专一性，是随机的。这类限制性内切酶在DNA重组技术或基因工程中没有多大用处，无法用于分析DNA结构或克隆基因。这类酶如EcoB、EcoK等。

第二类内切酶能识别专一的核苷酸顺序，并在该顺序内的固定位置上切割双链。由于这类限制性内切酶的识别和切割的核苷酸都是专一的。所以总能得到同样核苷酸顺序的脱氧核糖核酸片段，并能构建来自不同基因组的DNA片段，形成杂合DNA分子。因此，这种限制性内切酶是DNA重组技术中最常用的工具酶之一。这种酶识别的专一核苷酸顺序最常见的是4个或6个核苷酸，少数也有识别5个核苷酸以及7个、9个、10个和11个核苷酸的。如果识别位置在DNA分子中分布是随机的，则识别4个核苷酸的限制性内切酶每隔46（4096）个核苷酸就有一个切点。人的单倍体基因组据估计为3×199核苷酸，识别4个核苷酸的限制性内切酶的切点将有（3×109/2.5×102）约107个切点，也就是可被这种酶切成107片段，识别6个核苷酸的限制性内切酶也将有（3×109/4×103）约106个切点。

第二类内切酶的识别顺序是一个回文对称顺序，即有一个中心对称轴，从这个轴朝二个方向“读”都完全相同。这种酶的切割可以有两种方式。一是交错切割，结果形成两条单链末端，这种末端的核苷酸顺序是互补的，可形成氢键，所以称为粘性末端。如EcoRI的识别顺序为：

↓ |

5’……GAA | TTC……3’

3’……CTT | AAG……5’

| ↑

垂直虚线表示中心对称轴，从两侧“读”核苷酸顺序都是GAATTC或CTTAAG，这就是回文顺序（palindrome）。实线剪头表示在双链上交错切割的位置，切割后生成5’……G和AATTC……3’、3’……CTTAA和G……5’二个脱氧核糖核酸片段，各有一个单链末端，二条单链是互补的，可通过形成氢键而“粘合”。另一种是在同一位置上切割双链，产生平头末端。例如HaeⅢ的识别位置是：

↓

5’……GG↓CC……3’

3’……CC↓GG……’

↑

在箭头所指处切割，产生的两个DNA片段是：

5’……GG CC……3’

和

3’……CC GG……5’

有时候两种限制性内切酶的识别核苷酸顺序和切割位置都相同，差别只在于当识别顺序中有甲基化的核苷酸时，一种限制性内切酶可以切割，另一种则不能。例如HpaⅡ和MspⅠ的识别顺序都是5’……CCGG……3’，如果其中有5’-甲基胞嘧啶，则只有HpaⅡ能够切割。这些有相同切点的酶称为同切酶或异源同工酶（isoschizomer）。

第三类内切酶也有专一的识别顺序，但不是对称的回文顺序。它在识别顺序旁边几个核苷酸对的固定位置上切割双链。但这几个核苷酸对则是任意的。因此，这种限制性内切酶切割后产生的一定长度脱氧核糖核酸片段，具有各种单链末端。这对于克隆基因或克隆DNA片段没有多大用处。

用途

克隆PCR产物的方法之一，是在PCR产物两端设计一定的限制酶切位点，经酶切后克隆至用相同酶切的载体中。但实验证明，大多数限制酶对裸露的酶切位点不能切断。必须在酶切位点旁边加上一个至几个保护碱基，才能使所定的限制酶对其识别位点进行有效切断。

酶切位点（内切酶的识别序列）要加在引物的5'端，为保证PCR产物能被限制性内切酶的识别且有效的酶切，一般在引物的5'端酶切位点侧边加上保护碱基。

具体为：5'-保护碱基+酶切位点+引物序列-3'

定义

用来识别特定的脱氧核糖核苷酸序列，并对每条链中特定部位的两个脱氧核糖核苷酸之间的磷酸二酯键进行切割的一类酶。

由来

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，从芽孢杆菌属 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、MboⅡ等。

别名：restriction endonuclease简称限制酶

酶反应：限制性内切酶能分裂脱氧核糖核酸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），这类酶主要是从原核生物中分离出来的，迄今已经从近300多种不同的微生物中分离出约4000种限制酶。

分类性质

根据酶的功能特性、大小及反应时所需的辅助因子，限制性内切酶可分为两大类，即I类酶和Ⅱ酶。最早从大肠杆菌中发现的EcoK、EcoB就属于I类酶。其分子量较大；反应过程中除需Mg外，还需要腺苷甲硫氨酸、atp；在脱氧核糖核酸分子上没有特异性的酶解片断，这是I、Ⅱ类酶之间最明显的差异。因此，I类酶作为DNA的分析工具价值不大。Ⅱ类酶有EcoR I、BamH I、Hind Ⅱ、Hind Ⅲ等。其分子量小于105约翰·道尔顿；反应只需Mg；最重要的是在所识别的特定碱基顺序上有特异性的切点，因而DNA分子经过Ⅱ类酶作用后，可产生特异性的酶解片断，这些片断可用凝胶电泳法进行分离、鉴别。

限制性内切酶识别DNA序列中的回文序列。有些酶的切割位点在回文的一侧（如EcoR I、BamH I、Hind等），因而可形成粘性末端，另一些Ⅱ类酶如Alu I、BsuR I、Bal I、Hal Ⅲ、HPa I、Sma I等，切割位点在回文序列中间，形成平整末端。Alu I的切割位点如下：

5'-A G^C T-3'

3'-T C^G A-5'

在已发现的限制性内切酶中，近百种酶的识别顺序已被测定。有很多来源不同的酶有相同的碱基识别顺序，这种酶称为“异源同功酶”（isochizomer，同切限制内切酶；同裂酶）。应该注意的是，这些酶虽然有相同的识别顺序，但它们的切点并不完全一样。例如Xma I和Sma I都识别六核苷酸CCCGGG，但Xma I的切点在CCCCGGG，而Ema I的切点则在CCCGGGG，前者切割脱氧核糖核酸分子，形成带有CCGG粘性末端的DNA片段，而后者并不形成粘性末端（而叫平末端）。当然，也有识别顺序和切点都相同的酶，如Hap Ⅱ、Hpa Ⅱ、Mno I，都在识别顺序CCGG内有一相同的切点，Hal Ⅲ和BsuR I同样在识别顺序GGCC内有一相同的切点。

分布区域

限制性核酸内切酶分布极广，几乎在所有细菌的属、种中都发现至少一种限制性内切酶，多者在一属中就有几十种，例如在嗜血杆菌属中（Haemophilus）现已发现的就有22种。有的菌株含酶量极低，很难分离定性；然而在有的菌株中，酶含量极高．如E. coli的pMB4(EcoRI酶）和H. aegyptius(Hal Ⅲ酶）就是高产酶菌株。据报道从10g的H. aegyptius的细胞中，能分离提纯出可消化l0gλ噬菌体脱氧核糖核酸的酶量。细菌是限制性内切酶，尤其是特异性非常强的I类限制性内切酶的主要来源。

命名

限制酶的命名是根据细菌种类而定，以EcoRI为例：

类型

根据限制酶的结构，辅因子的需求切位与作用方式，可将限制酶分为三种类型，分别是第一型（Type I）、第二型（Type Ⅱ）及第三型（Type Ⅲ）。

第一型限制酶

同时具有修饰（modification）及识别切割（restriction）的作用；另有识别（recognize)脱氧核糖核酸上特定碱基序列的能力，通常其切割位（cleavage site）距离识别位（recognition site）可达数千个碱基之远。例如：EcoB、EcoK。

第二型限制酶

只具有识别切割的作用，修饰作用由其他酶进行。所识别的位置多为短的回文序列（palindrome sequence）；所剪切的碱基序列通常即为所识别的序列。是遗传工程上，实用性较高的限制酶种类。例如：EcoRI、HindⅢ。

第三型限制酶

与第一型限制酶类似，同时具有修饰及识别切割的作用。可识别短的不对称序列，切割位与识别序列约距24-26个碱基对。例如：HinfⅢ。

生理意义

限制作用实际就是限制酶降解外源脱氧核糖核酸  ，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和胞C甲基化而受到保护。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。所以，能产生防御病毒侵染的限制酶的细菌，其自身的基因组中可能有该酶识别的序列，只是该识别序列或酶切位点被甲基化了。但并不是说一旦甲基化了，所有限制酶都不能切割。大多数限制酶对DNA甲基化敏感，因此当限制酶目标序列与甲基化位点重叠时，对酶切的影响有3种可能，即不影响、部分影响、完全阻止。对甲基化脱氧核糖核酸的切割能力是限制酶内在和不可预测的特性，因此，为有效的切割DNA，必须同时考虑DNA甲基化和限制酶对该类型甲基化的敏感性。另外，大部分商业限制酶如今专门用于切割甲基化DNA。

参考资料

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