《限制性内切酶》ppt课件

1、限制性核酸内切酶限制性核酸内切酶 郜原 日 期：2021-3-31简介简介限制性核酸内切酶限制性核酸内切酶(restriction (restriction endonuclease):endonuclease):识别并切割特异的识别并切割特异的双链双链DNADNA序列的一种内切核酸酶。序列的一种内切核酸酶。 别名别名 EndodeoxyribonucleaseEndodeoxyribonuclease 酶反响酶反响 限制性内切酶能分裂限制性内切酶能分裂DNADNA分子在一限定数目的专注部位上。分子在一限定数目的专注部位上。它能识别外源它能识别外源DNADNA并将其降解。并将其降解。 单位定义

2、单位定义 在指明在指明pHpH与与3737，在，在0.05mL0.05mL反响混合物中，反响混合物中，1 1小时消化小时消化1g1g的的DNADNA的酶量为的酶量为1 1单位。单位。定义和命名定义和命名DNADNA限制性内切酶：限制性内切酶：生物体内能识别并切割特异的双链生物体内能识别并切割特异的双链DNADNA序列的一种内切核酸序列的一种内切核酸酶。它可以将外来的酶。它可以将外来的DNADNA切断的酶，即可以限制异源切断的酶，即可以限制异源DNADNA的侵入并使之失去活力，但对本人的的侵入并使之失去活力，但对本人的DNADNA却无损害作用，这却无损害作用，这样可以维护细胞原有的遗传信息。由于

3、这种切割作用是在样可以维护细胞原有的遗传信息。由于这种切割作用是在DNADNA分子内部进展的，故名限制性内切酶分子内部进展的，故名限制性内切酶( (简称限制酶简称限制酶) )。 限制性核酸内切酶的命名；普通是以微生物属名的第一个字母限制性核酸内切酶的命名；普通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和种名的前两个字母组成，第四个字母表示菌株( (品系品系) )。例。例如，从如，从Bacillus amylolique faciens HBacillus amylolique faciens H中提取的限制性中提取的限制性内切酶称为内切酶称为Bam HBam H，在同

4、一品系细菌中得到的识别不同碱基，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，如顺序的几种不同特异性的酶，可以编成不同的号，如HindIIHindII、HindIIIHindIII，HpaIHpaI、HpaIIHpaII，MboIMboI、MboIMboI等。等。 特征和种类特征和种类1 1限制与修饰景象限制与修饰景象 早在早在 50 50 年代初，有许多学者发现了限制与修饰景象，当时称作寄主年代初，有许多学者发现了限制与修饰景象，当时称作寄主控制的专注性控制的专注性host controlled specificityhost controlled speci

5、ficity。 l l 噬菌体表现的景噬菌体表现的景象便具有代表性和普遍性，其在不同宿主中的转染频率可阐明这一问题象便具有代表性和普遍性，其在不同宿主中的转染频率可阐明这一问题表表 2-1 2-1。 l l 在感染某一宿主后，再去感染其它宿主时会遭到限制。在感染某一宿主后，再去感染其它宿主时会遭到限制。E.coli E.coli 菌株菌株 噬菌体感染率噬菌体感染率 lK lB lC lK lB lC E.coli K 1 10-4 10-4 E.coli K 1 10-4 10-4 E.coli B 10-4 1 10-4 E.coli B 10-4 1 10-4 E.coli C 1 1 1

6、 E.coli C 1 1 1 阐明阐明 K K 和和 B B 菌株中存在一种限制系统，可排除外来的菌株中存在一种限制系统，可排除外来的 DNA DNA 。 10- 10-4 4 的存活率是由宿主修饰系统作用的结果，此时限制系统还未起作用。的存活率是由宿主修饰系统作用的结果，此时限制系统还未起作用。而在而在 C C 菌株不能限制来自菌株不能限制来自 K K 和和 B B 菌株的菌株的 DNA DNA 。限制造用实践就是限。限制造用实践就是限制酶降解外源制酶降解外源 DNA DNA ，维护宿主遗传稳定的维护机制。甲基化是常见的，维护宿主遗传稳定的维护机制。甲基化是常见的修饰作用，可使腺嘌呤修饰作

7、用，可使腺嘌呤 A A 成为成为 N6 N6 甲基甲基- -腺膘呤，胞嘧啶腺膘呤，胞嘧啶 C C 成为成为 5 5 甲甲基胞嘧啶。经过甲基化作用到达识别本身遗传物质和外来遗传物质的目基胞嘧啶。经过甲基化作用到达识别本身遗传物质和外来遗传物质的目的。的。 2. 2.限制与修饰系统的种类限制与修饰系统的种类根据酶的亚单位组成、识别序列的种类和能否需求辅助因子，限制根据酶的亚单位组成、识别序列的种类和能否需求辅助因子，限制与修饰系统主要分成三大类。表与修饰系统主要分成三大类。表 2-1 2-1 是各种限制与修饰系统的比较。是各种限制与修饰系统的比较。 型型type type 限制与修饰系统所占的比例

8、最大，达限制与修饰系统所占的比例最大，达 93% 93% 。型酶相对来说最简单，它们识别回文对称序列，在回文序列内部或附近型酶相对来说最简单，它们识别回文对称序列，在回文序列内部或附近切割切割 DNA DNA ，产生带，产生带 3- 3- 羟基和羟基和 5- 5- 磷酸基团的磷酸基团的 DNA DNA 产物，需产物，需 Mg2+ Mg2+ 的存在才干发扬活性，相应的修饰酶只需的存在才干发扬活性，相应的修饰酶只需 SAM SAM 。识别序列主要为。识别序列主要为 4- 4-6bp 6bp ，或更长且呈二重对称的特殊序列，但有少数酶识别更长的序列或，或更长且呈二重对称的特殊序列，但有少数酶识别更长

9、的序列或简并序列，切割位置因酶而异，有些是隔开的。简并序列，切割位置因酶而异，有些是隔开的。s s 型型type type s s限制与修饰系统，占限制与修饰系统，占 5% 5% ，与，与 型具有类似型具有类似的辅因子要求，但识别位点是非对称，也是非延续的，长度为的辅因子要求，但识别位点是非对称，也是非延续的，长度为 4-7bp 4-7bp ，切割位点能够在识别位点一侧的切割位点能够在识别位点一侧的 20bp 20bp 范围内。范围内。 型限制酶普通是同源二聚体型限制酶普通是同源二聚体homodimerhomodimer，由两个彼此按相，由两个彼此按相反方向结合在一同的一样亚单位组成，每个亚单

10、位作用在反方向结合在一同的一样亚单位组成，每个亚单位作用在 DNA DNA 链的两链的两个互补位点上。修饰酶是单体，修饰作用普通由两个甲基转移酶来完成，个互补位点上。修饰酶是单体，修饰作用普通由两个甲基转移酶来完成，分别作用于其中一条链，但甲基化的碱基在两条链上是不同的。分别作用于其中一条链，但甲基化的碱基在两条链上是不同的。在在 型限制酶中还有一类特殊的类型，该酶只切割双链型限制酶中还有一类特殊的类型，该酶只切割双链 DNA DNA 中的中的一条链，呵斥一个切口，这类限制酶也称切口酶一条链，呵斥一个切口，这类限制酶也称切口酶 nicking enzymenicking enzyme，如如 N

11、.Bst NBI N.Bst NBI 。 型型type type 限制与修饰系统的种类很少，只占限制与修饰系统的种类很少，只占 1% 1% ，能识别，能识别专注的核苷酸顺序，并在识别点附近的一些核苷酸上切割专注的核苷酸顺序，并在识别点附近的一些核苷酸上切割DNADNA分子中的分子中的双链，但是切割的核苷酸顺序没有专注性，是随机的。如双链，但是切割的核苷酸顺序没有专注性，是随机的。如 EcoK EcoK 和和 EcoBEcoB。其限制酶和甲基化酶。其限制酶和甲基化酶 即即 R R 亚基和亚基和 M M 亚基亚基 各作为一个亚基各作为一个亚基存在于酶分子中，另外还有担任识别存在于酶分子中，另外还有

12、担任识别 DNA DNA 序列的序列的 S S 亚基，分别由亚基，分别由 hsdRhsdR、hsdM hsdM 和和 hsdS hsdS 基因编码，属于同一支配子转录单位。基因编码，属于同一支配子转录单位。EcoK EcoK 编码基因的构造为编码基因的构造为 R2M2S R2M2S。 EcoB EcoB 编码基因的构造为编码基因的构造为 R2M4S2 R2M4S2 。EcoB EcoB 酶的识别位点如下，其中两条链中的酶的识别位点如下，其中两条链中的 A A 为甲基化位点，为甲基化位点， N N 表示恣意碱基。表示恣意碱基。 TGA TGA* *NN8TGCT 8TGCT EcoK EcoK

13、酶的识别位点如下，其中两条链中的酶的识别位点如下，其中两条链中的 A A 为能够的甲基化位点。为能够的甲基化位点。 AA AA C CNN6GTGC6GTGC但是但是 EcoB EcoB 酶和酶和 EcoK EcoK 酶的切割位点在识别位点酶的切割位点在识别位点 1000bp 1000bp 以外，以外，且无特异性。且无特异性。 型型type type 限制与修饰系统的种类更少，所占比例不到限制与修饰系统的种类更少，所占比例不到 1% 1% ，也有专注的识别顺序，但不是对称的回文顺序。它在识别顺序旁边几个也有专注的识别顺序，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。

14、但这几个核苷酸对那么是恣意的，如核苷酸对的固定位置上切割双链。但这几个核苷酸对那么是恣意的，如 EcoP1 EcoP1 和和 EcoP15 EcoP15 。它们的识别位点分别是。它们的识别位点分别是 AGACC AGACC 和和 CAGCAG CAGCAG ，切割位点那么在下游切割位点那么在下游 24-26bp 24-26bp 处。处。在基因操作中，普通所说的限制酶或修饰酶，除非特指，均指在基因操作中，普通所说的限制酶或修饰酶，除非特指，均指 型型系统中的种类。系统中的种类。 表表2-12-1：各种限制与修饰系统的比较：各种限制与修饰系统的比较酶分子酶分子内切酶与甲基化内切酶与甲基化酶分子不在

15、一同酶分子不在一同三亚基双功能酶三亚基双功能酶二亚基双功能酶二亚基双功能酶识别位点识别位点4-6bp, 4-6bp, 大多数大多数为回文对称构造为回文对称构造二分非对称二分非对称5-7bp 5-7bp 非对称非对称切割位点切割位点在识别位点中或在识别位点中或接近识别位点接近识别位点无特异性，至少无特异性，至少在识别位点外在识别位点外 1000bp在识别位点下游在识别位点下游 24-26bp限制反响与甲基限制反响与甲基化反响化反响分开的反响分开的反响互斥互斥同时竞争同时竞争限制造用能否需限制造用能否需用用 ATPNoNoYesYesYesYes限制酶识别的序列 1限制酶识别序列的长度限制酶识别序

16、列的长度普通为 4-8 个碱基，最常见的为 6 个碱基表2-2。当识别序列为 4 个和 6 个碱基时，它们可识别的序列在完全随机的情况下，平均每 256 个和 4096 个碱基中会出现一个识别位点44=256，46=4096。以下是几个有代表性的种类，箭头指切割位置。 4 个碱基识别位点：Sau3A GATC5 个碱基识别位点：EcoR CCWGG；Nci CCSGG6 个碱基识别位点：EcoR GAATTC； Hind AAGCTT7 个碱基识别位点：BbvC CCTCAGC； PpuM RGGWCCY8 个碱基识别位点：Not GCGGCCGC Sfi GGCCNNNNNGGCC以上序列中

17、部 分字母代表的碱基如下。R=A 或 G Y=C 或 T M=A 或 CK=G 或 T S=C 或 G W=A 或 TH=A 或 C 或 T B=C 或 G 或 T V=A 或 C 或 G D=A 或 G 或 T N=A 或 C 或 G 或 T2限制酶识别序列的构造限制酶识别的序列大多数为回文对称构造，切割位点在 DNA 两条链相对称的位置。 EcoR 和 Hind 的识别序列和切割位置如下： EcoR GAATTC；Hind AAGCTT CTTAAG TTCGAA有一些限制酶的识别序列不是对称的，如 AccBSCCGCTC-3/-3 和 BssSCTCGTG-5/-1。识别序列后面括号内的

18、数字表示在两条链上的切割位置。AccBS CCGCTC；BssS CTCGTG GGCGAG GAGCAC有一些限制酶可识别多种序列，如 Acc 识别的序列是 GTMKAC ，也就是说可识别 4 种序列，其中两种是对称的，另两种是非对称的。 Hind 识别的序列是 GTYRAC 。有一些限制酶识别的序列呈延续对称，对称序列之间含有假设干个恣意碱基。如 AlwN 和 Dde ，它们的识别序列如下：AlwN CAGNNNCTG；Dde CTNAG GTCNNNGAC GANTC 3限制酶切割的位置限制酶对 DNA 的切割位置大多数在内部，但也有在外部的。在外部的，又有两端、两侧和单侧之别。切点在两

19、端的有 Sau3AGATC、NlaCATG和 EcoRCCWGG 等；在两侧的有 Bcg10/12CGAN6TGC12/10和 TspRCASTGNN， Bcg 酶的切割特性与其它酶不同，它们在识别位点的两端各切开一个断点，而不是只产生一个断点。切点在识别位点外侧的还有 BbvGCAGC8/12 和 BspMACCTGC4/8 等。Bcg 10NCGAN6TGCN12； 12NCGAN6ACGN10 TspR NNCACGTGNN NNGTGCACNN 1限制酶产生匹配粘端Matched end识别位点为回文对称构造的序列经限制酶切割后，产生的末端为匹配粘端，亦即粘性末端cohesive en

20、d，这样构成的两个末端是一样的，也是互补的。假设在对称轴 5 侧切割底物，DNA 双链交错断开产生 5 突出粘性末端，如 EcoR ；假设在 3 侧切割，那么产生 3 突出粘性末端，如 Kpn 。 EcoR NNGAATTCNN NNCTTAAGNN2限制酶产生平末端Blunt end 在回文对称轴上同时切割 DNA 的两条链，那么产生平末端，如 HaeGGCC，SmaCCCGGG，EcoRVGATATC。产生平末端的 DNA 可恣意衔接，但衔接效率较粘性末端低。限制酶产生的末端 3限制酶产生非对称突出端许多限制酶切割 DNA 产生非对称突出端。当识别序列为非对称序列时，切割的 DNA 产物的

21、末端是不同的，如 BbvC，它的识别切割位点如下：CCTCAGCGGAGTCG有些限制酶识别简并序列，其识别的序列中有几种是非对称的。如 Acc，它的识别切割位点如下，其中 GTAGAC 和 GTCTAC 为非对称：GTAT/CGACCATA/GCTG有些限制酶识别间隔序列，间隔区域的序列是恣意的，如 Dra 和 Ear，它们的识别切割位点分别是 CACNNNGTG 和 CTCTTC 1/4。 4同裂酶isoschizomer 识别一样序列的限制酶称同裂酶，但它们的切割位点能够不同。详细可分为以下几种情况。 同序同切酶 这些酶识别序列和切割位置都一样，如 Hind 与 Hinc 识别切割位点为

22、 GTYRAC ， Hpa 与 Hap 识别切割位点为 CCGG ， Mob 与 Sau3A 识别切割位点为 GATC 。 同序异切酶 Kpn 和 Acc65 识别的序列是一样的，但它们的切割位点不同，分别为 GGTACC 和 GGTACC 。另外， Asp718 识别和切割位点为 GGTACC 。 “同功多位许多识别简并序列的限制酶包含了另一种限制酶的功能。如 EcoR 识别和切割位点为 GAATTC ， Apo 识别和切割位点为 RAATTY ，后者可识别前者的序列。另外， Hpa 和 Hinc 的识别位点也有交叉，它们的识别和切割位点分别为 GTTAAC 和 Hinc 。 其它有些限制酶

23、识别的序列有交叉，如在 pUC 系列质粒的多克隆位点中有一个 Sal 位点识别切割位点为 GTCGAC，该位点也可被 Acc识别切割位点为 GTMKAC和 Hinc识别切割位点为 GTYRAC切割。5同尾酶 许多不同的限制酶切割 DNA 产生的末端是一样的，且是对称的，即它们可产生一样的粘性突出末端。这些酶统称为同尾酶。这些酶切割 DNA 得到的产物可进展粘端衔接。以下几种酶产生的末端是一样的。经过表 4-3 很容易判别哪些酶可产生一样的 DNA 末端。 EcoR GAATCC Mfe CAATTC Apo RAATTY Spe ACTAGT Nhe GCTAGC Xba TCTAGA Bam

24、H GGATCC Sau3A GATC Sty CCWWGG Cla ATCGAT Acc GTMKAC pUC196识别特殊系列的 -prefix 和 p-prefix 系列酶 有些线粒体、叶绿体、核 DNA 、T 偶数噬菌体含有一些编码内切酶的内含子，有些 intein protein splicing element 也有内切酶的活性，这两类内切核酸酶称为 -prefix 和 p-prefix 系列内切酶，它们识别的序列很长。 -prefix 是由在 RNA 程度上剪切和编码的， p-prefix 在蛋白质程度上剪切的产物。这类内切酶也称为 homing endonuclease ，目前

25、商业化的种类有 6 种。从因特网上可以找到 Intein 的数据库 InbaseIntein Database，该网站由 New England BioLabs 公司维护neb 。 -CeuI 酶是衣滴虫Chlamydomonas eugametos叶绿体大 rRNA 基因的内含子编码的产物，识别位点为 26bp ，识别的中心部位为 -12 至 +7 位置的 19bp 。反响温度为 37 ，识别位点如下，方框内为中心识别序列。 TAACTATAACGGTCCTAAGGCADNA末端长度对限制酶切割的影响 限制酶切割限制酶切割 DNA DNA 时对识别序列两端的非识别序列有长度的要求，也就是时对

26、识别序列两端的非识别序列有长度的要求，也就是说在识别序列两端必需有一定数量的核苷酸，否那么限制酶将难以发扬说在识别序列两端必需有一定数量的核苷酸，否那么限制酶将难以发扬切割活性。切割活性。用用 20 20 单位单位UnitsUnits限制酶切割限制酶切割 1 1g g 标志的寡核苷酸做测试时，标志的寡核苷酸做测试时，发现不同的酶对识别序列两端的长度有不同的要求表发现不同的酶对识别序列两端的长度有不同的要求表 2-3 2-3。相对来。相对来说，说， EcoR EcoR 对两端的序列长度要求较小，在识别序列外侧有一个碱基对两端的序列长度要求较小，在识别序列外侧有一个碱基对时在对时在 2 2 小时的

27、切割活性可达小时的切割活性可达 90% 90% 。而。而 Acc Acc 和和 Hind Hind 对两端的对两端的序列长度要求较大。序列长度要求较大。 用用 DNA DNA 片段线性载体检测末端长度对切割的影响时，同样发现片段线性载体检测末端长度对切割的影响时，同样发现识别序列的末端长度对酶切效率有明显影响，不同的酶对末端长度的要识别序列的末端长度对酶切效率有明显影响，不同的酶对末端长度的要求是不同。求是不同。在设计在设计 PCR PCR 引物时，假设要在末端引入一个酶切位点，为保证可以引物时，假设要在末端引入一个酶切位点，为保证可以顺利切割扩增的顺利切割扩增的 PCR PCR 产物，应在设计的引物末端加上可以满足要求的碱产物，应在设计的引物末端加上可以满足要求的碱基数目。另外，了解末端长度对切割的影响还可协助在双酶切多克隆位基数目。另外，了解末端长度对切割的影响还可协助在双酶切多克隆位点时选择酶切次序。点时选择酶切次序。 表表2-32-3：接近：接近DNADNA片段末端的切割效率片段末端的切割效率%用寡核苷酸检测用寡核苷酸检测影响酶活性的要素影响酶