エンドヌクレアーゼ

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概要

エンドヌクレアーゼは、特定のヌクレオチド配列を認識して結合し、各鎖の特定部位において2つのデオキシリボヌクレオチド間のホスホジエステル結合を切断する酵素群であり、制限酵素（制限エンドヌクレアーゼ）と総称されます。制限酵素は、その構造、補因子を要する切断部位、および作用様式に基づき、I型、II型、III型の3種類に分類されます。I型制限エンドヌクレアーゼは宿主DNAのメチル化と非メチル化DNAの加水分解の両方を触媒する一方、II型制限エンドヌクレアーゼは非メチル化DNAの加水分解のみを触媒します。III型制限エンドヌクレアーゼは、修飾機能と認識・切断機能の双方を有します。

分布

制限エンドヌクレアーゼは広く分布しており、ほぼすべての細菌の属および種において少なくとも1種類が見出されています。1つの属に数十種類存在する例もあり、例えばHaemophilus（ヘモフィルス）属では22種類が確認されています。菌株によっては酵素含量が極めて低く、分離・同定が困難な場合がありますが、逆に酵素含量が非常に高い菌株も存在します。例えば、大腸菌のpMB4（EcoRI酵素）およびH. aegyptius（Hal Ⅲ酵素）は高産生株として知られています。報告によれば、H. aegyptiusの細胞10gから、λファージDNA 10gを消化可能な量の酵素を分離・精製できたとされています。制限エンドヌクレアーゼの主要な供給源は細菌であり、特に高い特異性を有するI型制限エンドヌクレアーゼが該当します。

種類

制限酵素は、その構造、補因子を要する切断部位、および作用様式に基づき、I型、II型、III型の3種類に分類されます。

• I型制限エンドヌクレアーゼ

I型制限酵素は修飾機能と制限（認識）機能の双方を有し、DNA上の特定塩基配列を認識します。通常、切断部位は認識部位から数千塩基離れている場合があります。

• II型制限エンドヌクレアーゼ

切断部位の認識のみを担い、修飾は他の酵素によって行われます。認識部位は多くの場合、短い回文配列であり、切断される塩基配列は通常、認識配列と一致します。遺伝子工学において極めて有用な制限酵素です。

• III型制限エンドヌクレアーゼ

I型制限酵素と同様に、修飾機能と認識機能の双方を有します。短い非対称配列を認識し、切断部位は認識配列から約24～26塩基対離れた位置にあります。

用途

• DNAゲノムの物理地図の構築、遺伝子の局在化および遺伝子単離、DNA分子の塩基配列解析、関連DNA分子の比較、ならびに遺伝子工学（遺伝子編集を含む）に用いられます。
• 制限エンドヌクレアーゼは細菌により産生され、その生理学的意義は自己の防御能を高めることにあります。
• 制限酵素は一般に自己のDNA分子は切断せず、外来DNAのみを切断します。

生理学的意義

• 制限（restriction）は、外来DNAの酵素的分解を制限し、宿主の遺伝的安定性を維持する防御機構です。メチル化は代表的な修飾作用であり、アデニンAおよびシトシンCのメチル化により保護が成立します。
• メチル化は、自己の遺伝物質と外来遺伝物質を識別する目的を担います。したがって、ウイルス感染に対する防御として制限酵素を産生できる細菌では、当該酵素が認識する配列が自己ゲノム内にも存在し得ますが、その認識配列または酵素切断部位がメチル化されている点が異なります。
• メチル化DNAを切断できる能力は、制限酵素に内在する予測困難な特性であるため、DNAを効率的に切断するには、DNAメチル化の状態と、当該メチル化に対する制限酵素の感受性の双方を考慮する必要があります。