Enzyme cắt giới hạn - Restriction endonuclease

Enzyme cắt giới hạn là gì?

Enzyme cắt giới hạn (restriction endonuclease) hay gọi tắt là enzyme giới hạn (restrictase) là loại enzyme có khả năng nhận biết đoạn trình tự nucleotide đặc hiệu trên các phân tử DNA và cắt cả hai sợi DNA bổ sung tại  các vị trí đặc thù.

Vai trò của các enzyme cắt giới hạn

 Từ 1953 người ta đã phát hiện thấy rằng, khi đưa DNA của một nòi vi khuẩn E. coli này vào tế bào thuộc một nòi khác thường thì DNA được đưa vào, gọi là DNA ngoại lai hay DNA lạ, mất hẳn hoạt tính di truyền và hầu như bao giờ cũng bị phân cắt thành các đoạn ngắn. Chỉ trong một số ít trường hợp DNA lạ đó mới không bị phân cắt và do đó nó có thể tái bản trong tế bào chủ. Điều đó chứng tỏ DNA lạ được sửa đổi bằng cách nào đó dưới sự kiếm soát của tế bào chủ. Các hiện tượng nói trên xảy ra chủ yếu khi các thể thực khuẩn (phage) xâm nhiễm các tế bào vi khuẩn.


 Cho đến đầu thập niên 1970 người ta mới biết rõ rằng các tế bào vi khuẩn là những hệ thống chứa cả hai loại enzyme: các enzyme sửa đổi và các enzyme cắt giới hạn. Chúng đều có đối tượng nhận biết là các đoạn trình tự của DNA vật chủ và DNA ngoại lai, nhưng có vai trò khác nhau.

Cụ thể, các enzyme sửa đổi (methylase) đóng vai trò bảo vệ DNA vật chủ bằng cách gắn thêm nhóm methyl (-CH3) ở một số base nhất định trong đoạn nhận biết (recognition sequence) hay  đoạn  đích (target sequence).

Hiện tượng methyl hoá (methylation) này thường xảy ra đối với adenine và biến đổi nó thành N-6 methyladenine. Trong khi đó, các enzyme giới hạn lại đóng vai trò vô hiệu hoá hoạt tính di truyền của các DNA lạ bằng cách phân cắt ở các vị trí đặc thù chừng nào nó chưa được sửa đổi cho giống với DNA vật chủ. Như vậy,  các enzyme giới hạn  đóng vai trò là hàng rào bảo vệ tự nhiên của các vi khuẩn nhằm chống lại sự xâm nhập của các phage lạ.

Tính chất chung của các enzyme giới hạn

    Trước tiên, cần lưu ý rằng các enzyme giới hạn chỉ phát hiện thấy ở các vi khuẩn mà không có ở các eukaryote. Vì vậy, tên gọi của các enzyme giới hạn thông dụng là tên hệ thống, được biểu thị bằng ba hoặc bốn chữ cái viết tắt của vi khuẩn mà từ đó enzyme được chiết xuất. Chữ cái đầu tiên được viết hoa để chỉ chi (genus) và hai chữ cái tiếp theo viết thường để chỉ loài (species), và khi cần thiết thêm chữ cái thứ tư để chỉ nòi hoặc chủng (strain, type). Ngoài ra,  để phân biệt các enzyme cùng một nòi người ta dùng số La Mã kèm theo sau tên hệ thống (xem bảng 10.1).
Enzim giới hạn

 Tính chất quan trọng nhất của các enzyme giới hạn là tính đặc hiệu vị trí, nghĩa là chúng có thể  nhận biết đoạn trình tự DNA đặc thù để cắt ở vị trí xác định. Tuỳ theo vị trí cắt so với đoạn nhận biết mà chia ra hai loại: loại I bao gồm các enzyme giới hạn cắt bên ngoài phạm vi đoạn nhận biết và loại II bao gồm các enzyme cắt đặc hiệu bên trong đoạn nhận biết. Ở đây chúng ta chỉ xét các enzyme giới hạn loại II vốn được xem là công cụ hiệu năng (giống như con dao mổ tinh vi) cho phép thao tác trên các gene trong kỹ thuật DNA tái tổ hợp (hình 10.1).
Eim giới hạn 2

  Đặc trưng nổi bật của các đoạn đích là có kích thước ngắn, 4-8 cặp base, và có tính đối xứng xuôi ngược (palindrome).

  Nhìn chung, các enzyme giới hạn khác nhau có hai kiểu cắt sau đây: cắt lệch và cắt thẳng. Với kiểu cắt lệch tức là các vị trí cắt trên hai sợi của DNA sợi kép là so le, tạo ra các đoạn DNA có các đầu sợi đơn gồm một số base bổ sung gọi là các đầu dính (cohesive/sticky ends). Các enzyme giới hạn như thế có vai trò to lớn trong việc kiến tạo DNA tái tổ hợp  in vitro (hình 10.1). Điển hình ở đây là EcoRI và BamHI (bảng 10.1). Với kiểu cắt thẳng, tức cắt cùng vị trí trên cả hai sợi của DNA sợi kép, do đó tạo ra các đoạn DNA có các đầu bằng (blunt ends); ví dụ, SmaI...(bảng 10.1).

  Các enzyme giới hạn khác nhau có đoạn đích giống nhau, mặc dù vị trí và kiểu cắt có thể giống hoặc khác nhau, gọi là các enzyme giới hạn tương ứng (isoschizomers); ví dụ, SmaI và XmaI (bảng 10.1).