Restriktionsenzym

Restriktionsenzyme bzw. Restriktionsendonukleasen, kurz REN, sind kleine Proteine, die spezielle DNA-Sequenzen erkennen und dort gezielt schneiden. Sie werden auch als molekulares Schneidewerkzeug bezeichnet. Die Antagonisten der Restriktionsenzyme sind die sogenannten Ligasen.

In der Regel bezeichnet der erste Buchstabe die Gattungsnamen der prokaryontischen Zelle, aus dem das Restriktionsenzym stammt. Die darauf folgenden zwei Buchstaben die Art des Bakteriums. Der nächste Großbuchstabe definiert den Serotyp bzw. die Stammbezeichnung. Falls mehr als ein Typ an Restriktionsenzymen in ein und der selben prokaryontischen Zelle vorkommt, wird dies mit einer römischen Ziffer gekennzeichnet.

Bei Restriktionsenzymen unterscheidet man generell zwischen Endo - und Exonukleasen. Eine Endonuklease spaltet eine Nukleinsäure innerhalb des Polynucleotidstranges, wohingegen eine Exonuklease terminale, d.h. am Ende eines Polynucleotidstranges befindliche, Nukleinsäuren spaltet. Des Weiteren werden Restriktionsenzyme in drei Typen eingeteilt.

3.1. Typ I

Diese Art von Restriktionsenzymen schneiden recht zufällig und meist unvorhersagbar weit entfernt von der Erkennungssequenz. Sie benötigen eine Energiezufuhr in Form von Adenosintriphosphat und transferiert Methylgruppen.

3.2. Typ II

Diese Restriktionsenzyme sind die am meisten vorkommenden und verwendeten REN. Sie schneiden exakt an der palindromischen Erkennungssequenz, welche eine zweizählige Symmetrieachse besitzt und für gewöhnlich 4 bis 8 Basenpaare lang ist. Eine palindromische Sequenz zeichnet sich neben der 2-zähligen Symmetrieachse auch dadurch aus, dass sie egal von welcher Seite aus gelesen eine identische Codierung besitzt, welches vergleichbar mit dem Wort Otto ist. Diese RENs benötigen keinerlei Energiezufuhr in Form von ATP und besitzen auch keine Methyltransferase-Aktivität. Einmal angefangen schneidet die REN alle vorhandenen palindromischen Sequenzen. Beim Schneiden gibt es zwei Möglichkeiten, wie geschnitten werden kann. Entweder schneidet es die Sequenz 'glatt' (blunt ends) oder 'klebrig' (sticky ends). Glatt bedeutet, dass in der Mitte zweier Stränge geschnitten wird. Die klebrige Schneidevariante schneidet nicht gegenüberliegende Punkte auf den zwei Strängen, sondern um einen gleichen Betrag entgegengesetzte Punkte auf dem Doppelstrang. Dabei entstehen terminal betrachtet gleiche Endsequenzen bei jedem Fragment. Somit können diese einzelnen Fragmente miteinander assoziieren und sich zu einem neuen Doppelstrang formen. Von den Typ II REN sind mittlerweile 2500 Stück bekannt, die insgesamt fast 200 verschiedenen Erkennungssequenzen besitzen.

3.3. Typ III

Typ III Restriktionsenzyme schneiden ca. 20 - 25 Basenpaare weiter entfernt als die Erkennungssequenz. Dabei wird ATP benötigt und eine Methyltransferase - Aktivität beobachtet.

Restriktionsenzyme sind sowohl in eukaryontischen als auch in prokaryontischen Zellen vorhanden. In prokaryontischen Zellen wird die DNA in definierten Bereichen durch eine Modifikationsmethyltransferase mit Methylgruppen modifiziert. Hierbei dient die Methyltransferase als Katalysator. Die REN erkennen die gleichen definierten Bereiche wie die Methyltransferase. Bei Fehlen von einer Modifikation an einem der beiden Polynucleotidstränge, schneidet das Restriktionsenzym das nicht modifizierte, offensichtlich fremde Nucleotid heraus. Dies geschieht meist durch das Andocken einer DNA-Polymerase an das durch die REN erzeugte Ende. Nach der Korrektur werden die zwei Fragmente durch eine Ligase verknüpft. Meist sind fremde Insertionen, die durch Phagen verursacht wurden, nicht methyliert. Diese Erkennungsstelle nutzt die REN, um solche gefährlichen DNA-Veränderungen zu korrigieren. Somit ist das REN eine effektive Methode für Prokaryonten um sich gegen Viren zu wehren. Eine der beiden Stränge der DNA ist immer methyliert. Somit ist bei der Replikation zwischen den verschiedene mitotischen Phasen mindestens der Elternstrang methyliert und schützt somit den Tochterstrang vor einer Endonuklease.

Restriktionsenzyme spielen in der Gentechnik eine sehr große Rolle in den Bereichen der biologischen Proteinsynthese und in analytischen Methoden. In der Gentechnik werden sie benutzt um fremde DNA in ein anderes Genom zu schleusen und somit ein Organismus dazu bringen fremde Proteine zu synthetisieren und/oder die Folgeeffekte am Organismus zu betrachten.

In der Analytik benutzt man Restriktionsenzyme bei DNA-Analysen. Diese werden mittels Restriktionsenzym in ein bestimmtes Fragmentierungsmuster überführt und können dann mit Hilfe der Gelelektrophorese aufgetrennt und analysiert werden. In vielen Büchern redet man nur über Typ II REN, da diese die höchste Effizienz aufweisen und andere Typen für Forschungs- und industrielle Zwecke unrentabel sind.