ENDONUCLEASES: CHỨC NĂNG, LOẠI VÀ VÍ DỤ - SINH HỌC - 2026

Các endonuclease là các enzym cắt các liên kết phosphodiester nằm trong chuỗi nucleotide. Các trang web hạn chế endonuclease rất đa dạng. Một số enzyme này cắt DNA (axit deoxyribonucleic, vật liệu di truyền của chúng ta) ở hầu hết mọi nơi, nghĩa là chúng không đặc hiệu.

Ngược lại, có một nhóm endonuclease khác rất cụ thể trong vùng hoặc trình tự được phân cắt. Nhóm enzym này được gọi là enzym giới hạn, và chúng rất hữu ích trong sinh học phân tử. Trong nhóm này, chúng tôi có các enzym nổi tiếng Bam HI, Eco RI và Alu I.

Endonucleases cắt DNA bên trong.
Nguồn: pixabay.com

Trái ngược với endonucleases, có một loại protein xúc tác khác - exonucleases - chịu trách nhiệm phá vỡ các liên kết phosphodiester ở cuối chuỗi.

Hạn chế endonucleases

Endonuclease hạn chế hoặc enzyme giới hạn là các protein xúc tác chịu trách nhiệm phân cắt các liên kết phosphodiester bên trong chuỗi DNA theo các trình tự rất cụ thể.

Các enzym này có thể được mua từ nhiều công ty công nghệ sinh học và việc sử dụng chúng gần như là thiết yếu trong các kỹ thuật thao tác DNA hiện nay.

Endonuclease hạn chế được đặt tên bằng cách sử dụng các chữ cái đầu tiên của tên khoa học nhị thức của sinh vật mà chúng đến, tiếp theo là chủng (điều này là tùy chọn) và kết thúc bằng nhóm enzym giới hạn mà chúng thuộc về. Ví dụ, Bam HI và Eco RI là các endonuclease được sử dụng rộng rãi.

Vùng DNA mà enzyme nhận biết được gọi là vị trí giới hạn và là duy nhất cho mỗi endonuclease, mặc dù một số enzyme có thể trùng hợp tại các vị trí giới hạn. Trang web này thường bao gồm một chuỗi palindromic ngắn có độ dài khoảng 4 đến 6 cặp bazơ, chẳng hạn như AGCT (cho Alu I) và GAATTC cho Eco RI.

Trình tự Palindromic là các trình tự, mặc dù được đọc theo hướng 5 'đến 3' hoặc 3 'đến 5', giống hệt nhau. Ví dụ, đối với trường hợp Eco RI, trình tự palindromic là: GAATTC và CTTAAG.

Chức năng và ứng dụng của endonucles hạn chế

May mắn thay cho các nhà sinh học phân tử, vi khuẩn đã phát triển một loạt các endonuclease hạn chế trong quá trình tiến hóa để phân mảnh bên trong vật liệu di truyền.

Trong tự nhiên, các enzym này đã phát triển - có lẽ - như một hệ thống bảo vệ vi khuẩn chống lại sự xâm nhập của các phân tử DNA ngoại lai, chẳng hạn như các phân tử từ phage.

Để phân biệt giữa vật liệu di truyền bản địa và ngoại lai, các endonuclease hạn chế này có thể nhận ra các trình tự nucleotide cụ thể. Do đó, DNA không có trình tự này có thể không bị xáo trộn bên trong vi khuẩn.

Ngược lại, khi endonuclease nhận ra vị trí giới hạn, nó sẽ liên kết với DNA và cắt nó.

Các nhà sinh vật học quan tâm đến việc nghiên cứu vật chất di truyền của các sinh vật. Tuy nhiên, DNA được tạo thành từ vài triệu cặp bazơ có chiều dài. Các phân tử này cực kỳ dài và phải được phân tích thành các mảnh nhỏ.

Để đáp ứng mục tiêu này, các endonuclease hạn chế được tích hợp vào các quy trình sinh học phân tử khác nhau. Ví dụ, một gen riêng lẻ có thể được thu nhận và sao chép để phân tích trong tương lai. Quá trình này được gọi là "nhân bản" một gen.

Đa hình độ dài đoạn giới hạn (RFLP)

Đa hình về chiều dài đoạn giới hạn đề cập đến mô hình của trình tự nucleotide cụ thể trong DNA mà endonuclease giới hạn có thể nhận ra và cắt.

Nhờ tính đặc hiệu của các enzym, mỗi sinh vật được đặc trưng bởi một kiểu cắt cụ thể trong DNA, bắt nguồn từ các đoạn có độ dài thay đổi.

Các loại endonuclease hạn chế

Trong lịch sử, endonuclease giới hạn được phân loại thành ba loại enzyme, được ký hiệu bằng số La Mã. Gần đây, một loại endonuclease thứ tư đã được mô tả.

Loại I

Đặc điểm quan trọng nhất của endonuclease loại I là chúng là protein được tạo thành từ một số tiểu đơn vị. Mỗi chức năng như một phức hợp protein đơn lẻ và thường có hai tiểu đơn vị được gọi là R, hai M và một S.

Phần S chịu trách nhiệm nhận dạng vị trí giới hạn trong DNA. Về phần nó, tiểu đơn vị R cần thiết cho sự phân cắt và M chịu trách nhiệm xúc tác phản ứng metyl hóa.

Có bốn tiểu loại enzyme loại I, được biết đến bằng các chữ cái A, B, C và D, đang được sử dụng phổ biến. Sự phân loại này dựa trên sự bổ sung gen.

Enzyme loại I là endonuclease giới hạn đầu tiên được phát hiện và tinh chế. Tuy nhiên, hữu ích nhất trong sinh học phân tử là loại II, sẽ được mô tả trong phần tiếp theo.

Loại II

Các endonuclease giới hạn loại II nhận ra trình tự DNA cụ thể và sự phân cắt ở một vị trí không đổi gần với trình tự tạo ra 5 'phốt phát và 3' hydroxyl. Chúng thường yêu cầu các ion magiê (Mg ²⁺ ) làm đồng yếu tố , nhưng có một số có yêu cầu cụ thể hơn nhiều.

Về mặt cấu trúc, chúng có thể xuất hiện dưới dạng monome, dimer hoặc thậm chí là tetrame. Công nghệ tái tổ hợp sử dụng endonuclease loại II và vì lý do này, hơn 3.500 enzyme đã được đặc trưng.

Loại III

Các hệ thống enzym này bao gồm hai gen, được gọi là mod và res, mã cho các tiểu đơn vị nhận biết DNA và các sửa đổi hoặc hạn chế. Cả hai tiểu đơn vị đều cần thiết để hạn chế, một quá trình hoàn toàn phụ thuộc vào quá trình thủy phân ATP.

Để phân cắt phân tử DNA, enzyme phải tương tác với hai bản sao của trình tự nhận biết không palindromic và các vị trí phải hướng ngược lại trên cơ chất. Sự phân cắt diễn ra trước sự chuyển vị DNA.

Loại IV

Gần đây, một nhóm bổ sung đã được xác định. Hệ thống này bao gồm hai hoặc nhiều gen mã hóa cho các protein chỉ phân cắt các trình tự DNA đã sửa đổi, hoặc glucosyl được methyl hóa, hydroxymethyl hóa hoặc hydromethyl hóa.

Ví dụ, enzyme EckKMcrBC nhận ra hai dinucleotide có dạng chung RmC; một purine tiếp theo là một cytosine được methyl hóa, có thể được phân tách bởi một số cặp base - từ 40 đến gần 3000. Sự phân cắt diễn ra khoảng 30 cặp base sau vị trí mà enzyme nhận ra.

Endonucleases loại V

Các endonuclease thuộc loại này còn được gọi là endonucleases "homing". Các enzym này nhận biết và cắt chuỗi DNA đích tại các vị trí duy nhất trong bộ gen từ 14 đến 40 bp.

Các enzym này thường được mã hóa trong các intron và chức năng của chúng được cho là thúc đẩy chuyển ngang các trình tự cắt. Sau khi cắt, sự sửa chữa đứt gãy xảy ra trong chuỗi xoắn kép DNA dựa trên trình tự bổ sung.

Ví dụ

Endonuclease I từ E. coli hoạt động như một hệ thống bảo vệ chống lại thực khuẩn thể và ký sinh trùng. Nó nằm chủ yếu giữa màng tế bào chất và thành tế bào. Nó tạo ra các đứt gãy sợi kép trong DNA ngoại lai mà nó tương tác trong không gian ngoại chất.

CRISPR-Cas endonucleases là các enzym hoạt động trên cơ chế bảo vệ của nhiều loại vi khuẩn. Chúng xác định và cắt các chuỗi DNA cụ thể từ các sinh vật xâm nhập, nói chung là virus.

Gần đây, các nhà nghiên cứu tại Viện Công nghệ Massachusetts (MIT) đã phát hiện ra hệ thống chỉnh sửa bộ gen CRISPR-Cas12bm với độ chính xác cao để chỉnh sửa tế bào người.

Người giới thiệu

1. Burrell, MM (Ed.). (1993). Enzyme của sinh học phân tử. Totowa, NJ: Humana Press.
2. Loenen, WA, Dryden, DT, Raleigh, EA và Wilson, GG (2013). Enzyme hạn chế loại I và họ hàng của chúng. Nghiên cứu về axit nucleic, 42 (1), 20-44.
3. Murray, PR, Rosenthal, KS và Pfaller, MA (2017). Vi sinh y tế + StudentConsult bằng tiếng Tây Ban Nha + StudentConsult. Khoa học sức khỏe Elsevier.
4. Nathans, D., & Smith, HO (1975). Hạn chế endonucleases trong phân tích và tái cấu trúc phân tử DNA. Đánh giá hàng năm về hóa sinh, 44 (1), 273-293.
5. Pingoud, A., Fuxreiter, M., Pingoud, V., & Wende, W. (2005). Endonuclease giới hạn loại II: cấu trúc và cơ chế. Khoa học sự sống phân tử và tế bào, 62 (6), 685.