Restriktionsenzym

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Restriktionsenzyme sind Enzyme, welche DNA schneiden können. Sie werden unterteilt in Restriktionsendonukleasen und Restriktionsexonukleasen.

Restriktionsendonukleasen schneiden die DNA innerhalb der Sequenz. Restriktionsexonukleasen schneiden die DNA vom Rand her. Für die Gentechnologie sind nur die Restriktionsendonukleasen interessant.

Jede Restriktionsendonuklease erkennt eine spezifische DNA-Basensequenz. Nach ihren Eigenschaften unterscheidet man drei Typen:

• Typ I Schneidet die DNA an einer zufälligen Stelle weit von der Erkennungssequenz entfernt.
• Typ II Schneidet die DNA innerhalb der Erkennungssequenz.
• Typ III Schneidet die DNA etwa 20 bis 25 Basenpaare von der Erkennungssequenz entfernt.

Im allgemeinen Sprachgebrauch wird der Begriff Restriktionsenzym meist mit dem Typ II gleichgesetzt, da die Enzyme der Typen I und III in der Molekularbiologie nur eine geringe Bedeutung besitzen. Die Namen der Restriktionsenzyme geben ihre Herkunft an. Das Enzym EcoRI ist beispielsweise das erste Enzym, das in dem Stamm Escherichia coli R gefunden wurde und AluI das erste Enzym aus Arthrobacter luteus. Restriktionsenzyme unterschiedlicher Herkunft mit gleichem Schnittmuster werden Isoschizomere genannt; Schneiden sie zwar innerhalb der selben Sequenz, hinterlassen aber unterschiedliche Schnittenden, bezeichnet man sie als Neoschizomere.

Die Erkennungssequenzen der Restriktionsenzyme vom Typ II bestehen meist aus palindromischen Sequenzen von vier, sechs oder acht Basenpaaren. Der Schnitt kann versetzt ("sticky ends"/"klebrige Enden", z.B. Eco RI) oder gerade sein ("blunt ends"/"stumpfe Enden", z.B. Alu I). Sticky Ends sind leichter ligierbar.

Mit der Entdeckung der Restriktionsenzyme begann die Entwicklung der Molekularbiologie. Sie ermöglichen die gezielte Herstellung von DNA-Fragmenten, die dann isoliert und zu neuen Konstruktionen zusammengesetzt werden können. Enzyme, die "sticky ends" erzeugen, sind dabei besonders hilfreich, da sich die überlappenden Enden leicht miteinander verbinden lassen. Für ihre grundlegenden Arbeiten zur "Entdeckung der Restriktionsenzyme und ihre Anwendung in der Molekulargenetik" bekamen Werner Arber, Daniel Nathans und Hamilton Othanel Smith 1978 den Nobelpreis für Physiologie oder Medizin.

Der Name "Restriktionsenzym" stammt von dem bakteriellen Restriktions-Modifikationssystem, das der Abwehr fremder (viraler) DNA dient. Viele Bakterien besitzen stammspezifische Restriktionsendonukleasen. In der eigenen DNA sind die entsprechenden Erkennungssequenzen modifiziert (methyliert) und werden daher nicht geschnitten. Wenn Viren, die sich in den Bakterien vermehren (Bakteriophagen), ihre DNA in die Zellen injizieren, ist diese nicht methyliert und wird abgebaut. Nur Viren, die aus Bakterien desselben Stammes kommen, besitzen das richtige Methylierungsmuster und können sich weiter vermehren. Die Vermehrung der Viren ist damit auf diesen Stamm "beschränkt" (Restriktion = Beschränkung).

Weblinks

• Die besondere Biologie-Seite: Restriktionsenzyme - Schneiden, Trennen, Verbinden, Sequenzieren von DNA und Kartieren des Genoms
• Seite eines kommerziellen Anbieters von Restriktionsenzymen mit detaillierten Angaben zu vielen Enzymen (englisch)
• Seite des weltweit größten kommerziellen Angebots an Restriktionsenzymen mit ausführlichen Informationen zu allen Enzymen (englisch)
• REBASE: umfassendste Datenbank aller bekannten Restriktionsenzyme, einschließlich Verfügbarkeit durch alle kommerziellen Hersteller (englisch)
• NEBCutter: Web-basiertes Programm zum Schneiden von DNA mit sämtlichen verfügbaren Restriktionsenzymen; beachtet Methylierungssensitivitäten; Simulation von Gelen (englisch)