آنزیم‌های محدود کننده چیستند و چگونه توالی DNA را قطع می‌کنند؟

آیا تا به حال نام آنزیم‌های محدود کننده (Restriction Enzymes) را شنیده‌اید؟ آیا با کاربرد این آنزیم‌ها در میکروبیولوژی آشنا هستید؟

در طبیعت، موجودات زنده باید دائماً از خود در برابر مهاجمان خارجی محافظت کنند. این عمل در باکتری‌ها از طریق از بین بردن توالی DNA انجام می‌شود. آنزیم‌ هایی که این فرآیند را انجام می‌دهند آنزیم‌های محدود کننده نام دارند. در این مطلب قصد داریم به بررسی این آنزیم‌ها پرداخته و با نحوه عملکرد آن‌ها بیشتر آشنا شویم.

آشنایی با مفهوم و عملکرد آنزیم‌های محدود کننده

آنزیم‌های محدودکننده دسته‌ای از آنزیم‌ها هستند که DNA را بر اساس توالی خاصی از نوکلئوتیدها، به قطعات مختلف تقسیم می‌کنند.

آنزیم‌ های محدود کننده با نام اندونوکلئازهای محدود کننده نیز شناخته می‌شوند. صدها آنزیم محدود کننده مختلف وجود دارد. اما می‌توان گفت که همگی اساساً به یک روش کار می‌کنند.

یک آنزیم محدود کننده با تطبیق شکل به شکل کار می‌کند. آنزیم‌های محدود کننده دارای قسمتی به نام محل تشخیص (recognition site) هستند. این قسمت با برخی از توالی DNA شکل یکسانی دارد. به این معنا که آنزیم یک توالی DNA را شناسایی می‌کند. سپس با تماس توالی DNA و محل تشخیص آنزیم، آنزیم محدود کننده به دور DNA می‌پیچد. این کار باعث شکستگی رشته DNA می‌شود. هر آنزیم محدود کننده یک مکان تشخیص متفاوت دارد. یعنی توالی خاصی از DNA را تشخیص می‌دهد. مکان‌های شناسایی معمولاً کوتاه بوده و حاوی 4 الی 8 نوکلئوتید هستند.

 به این ترتیب سلول باکتریایی می‌تواند از خود در برابر حملات موجودت دیگر محافظت کند. البته کاربرد آنزیم‌های محدود کننده تنها به اینجا ختم نمی‌شود.

آنزیم‌های محدود کننده در فناوری DNA نوترکیب بسیار مهم هستند. این آنزیم‌ها در تولید واکسن‌ها، محصولات دارویی، محصولات مقاوم به حشرات و … کاربرد بسیاری دارند.

مروری بر تاریخچه

کشف آنزیم ‌های محدود کننده از نبرد مداوم برای زندگی بین باکتری‌ها و باکتریوفاژها سرچشمه می‌گیرد.

باکتریوفاژها ویروس های کوچکی هستند که DNA خود را به باکتری میزبان تزریق می کنند. هنگامی که DNA ویروس در داخل میزبان قرار می‌گیرد، تکثیر می‌شود. به این ترتیب سبب از بین رفتن باکتری می‌شود.

در دهه 1960، شخصی به نام ورنر آربر (Werner Arber) متوجه شد که باکتری‌ها یک سیستم محدودسازی و اصلاح برای محافظت از خود در برابر باکتریوفاژ ایجاد کردند. محدود‌سازی توسط آنزیم‌های محدود کننده صورت می‌گرفت. اصلاح نیز از طریق متیلاسیون DNA انجام می‌شد.

بعدها شخصی به نام همیلتون او اسمیت (Hamilton O Smith) آنزیم‌های دخیل در سیستم محدودسازی و اصلاح را جدا کرد. در نهایت در سال 1970 اولین توصیف از یک آنزیم محدود کننده منتشر شد. این آنزیم از باکتری هموفیلوس آنفولانزا جدا شده بود.

با کشف آنزیم ‌های محدودکننده، دانیل ناتانز (Daniel Nathans)، کاربردهای این پروتئین‌ها را در ژنتیک بررسی کرد. در سال 1971، ناتانز توضیح داد که چگونه آنزیم‌های محدود کننده خاص می‌توانند قطعات بزرگتری از DNA را به قطعات کوچکتر بشکنند. دو سال بعد، این تیم کاربرد آنزیم‌های محدودکننده را برای ایجاد یک نقشه برش ژنوم ویروسی نشان دادند.

آنزیم‌های محدود کننده در کجا یافت می‌شوند؟

آنزیم‌های محدودکننده در بسیاری از گونه‌های مختلف باکتری یافت می‌شوند. نقش بیولوژیکی آن‌ها مشارکت در دفاع سلولی است. باکتری‌ها از آنزیم‌‌های محدود کننده برای کشتن ویروس‌ها استفاده می‌کنند. آنزیم‌ها به DNA ویروس حمله می‌کنند و آن را به قطعات بی‌فایده می‌شکنند.

تاکنون بیش از 800 آنزیم محدودکننده شناخته شده است که بیش از 100 توالی نوکلئوتیدی مختلف را شناسایی می‌کنند.

نام گذاری آنزیم‌های محدود کننده

نام آنزیم‌های محدود کننده بر اساس منبع میکروارگانیسمی که از آن استخراج می‌شوند، انتخاب می‌گردد. به طور خاص، نام شامل جنس، گونه، مخفف سویه و ترتیب کشف در آن سویه است. ترتیب به عنوان یک عدد رومی نشان داده می‌شود.

به عنوان مثال، آنزیم EcoRI دارای توضیحات زیر است:

• جنس: اشرشیا
• گونه: کلی
• R نشان دهنده سویه RY13 است
• I نشان دهنده‌ی اولین آنزیم محدود کننده کشف شده در این سویه است.

انواع آنزیم های محدود کننده

تمامی انواع آنزیم‌های محدود کننده، عملکرد یکسانی دارند. اما بر اساس محل تشخیص، نحوه برش، ترکیبات و نوع کوفاکتورها متفاوت هستند. چهار دسته وسیع از آنزیم‌های محدود کننده وجود دارد:

• آنزیم‌های نوع I
• آنزیم‌های نوع II
• آنزیم‌های نوع III
• آنزیم‌های نوع IV

۱.  آنزیم های محدود کننده نوع I

آنزیم‌های نوع I پروتئین‌های چند عملکردی با سه زیر واحد مجزا هستند. این آنزیم‌ها در محدود کردن، اصلاح (متیلاسیون) و تشخیص DNA نقش دارند.

نمونه هایی از آنزیم‌های محدود کننده نوع I عبارتند از EcoAI، EcoKI و StySBLI.

۲.  آنزیم های محدود کننده نوع II

آنزیم‌های نوع II فراوان‌ترین و مشخص‌ترین آنزیم‌ها در بین تمام دسته‌های آنزیم‌های محدودکننده هستند.

در رده نوع II، حداکثر 8 زیربخش مختلف وجود دارد. این زیربخش‌هاُ مکان تشخیص و ویژگی‌های برش متفاوتی نسبت به یکدیگر دارند. نوع IIP و نوع IIS رایج ترین زیربخش های مرتبط با کاربردهای زیست شناسی مولکولی هستند.

آنزیم های نوع IIP هر دو رشته DNA را در داخل یا مجاور محل تشخیص می‌شکافند.

بر خلاف آنزیم های محدود کننده نوع IIP، زیربخش نوع IIS DNA را در فاصله مشخصی در پایین دست محل تشخیص قطع می‌کند.

۳. آنزیم های محدود کننده نوع III

آنزیم های محدود کننده نوع III حاوی یک کمپلکس محدود کننده و اصلاح کننده هستند که به عنوان یک واحد پروتئین عمل می‌کند. تنها یک آنزیم محدود کننده نوعIII  وجود دارد که به صورت تجاری در دسترس است. این آنزیم با نام EcoP15I شناخته می‌شود.

۴.  آنزیم های محدود کننده نوع IV

آنزیم های محدود کننده نوع IV فقط DNA متیله را می‌شکافند و روی DNA غیر متیله عمل نمی‌کنند.  EcoKMcrBC، تنها آنزیم محدود کننده نوع IV که به صورت تجاری در دسترس است.

استفاده از آنزیم‌های محدود کننده در بیوتکنولوژی

آنزیم‌های محدود کننده در بیوتکنولوژی برای برش DNA به رشته‌های کوچکتر استفاده می‌شوند. این کار به منظور مطالعه تفاوت طول قطعه در بین افراد استفاده می‌شود. این کار پلی‌مورفیسم طول قطعه محدود (RFLP) ^[1] نام دارد.

استفاده از آنزیم محدود کننده در شبیه سازی

شبیه سازی (Cloning) اغلب مستلزم قرار دادن یک ژن در پلاسمید است که نوعی قطعه DNA است. آنزیم‌های محدودکننده به دلیل برآمدگی‌های تک رشته‌ای که هنگام ایجاد برش از خود به جا می‌گذارند، می‌توانند به این فرآیند کمک کنند.

بنابراین، با استفاده از آنزیم های محدود کننده، می‌توان از قطعات DNA از منابع مختلف برای ایجاد یک مولکول DNA استفاده کرد.

سخن پایانی

یک آنزیم محدود کننده پروتئینی جدا شده از باکتری است. این آنزیم توالی‌های DNA را در مکان‌های توالی خاص می‌شکند و قطعات DNA با یک توالی شناخته شده در هر انتها تولید می‌کند. به طورکلی، چهار نوع آنزیم محدود کننده وجود دارد. به آن‌ها I، II، III و IV می‌گویند. این آنزیم‌ها عمدتاً در ساختار، محل برش و کوفاکتورها متفاوت هستند. استفاده از آنزیم‌های محدود کننده برای برخی روش‌های آزمایشگاهی، از جمله فناوری DNA نوترکیب و مهندسی ژنتیک، حیاتی است.

امیدواریم این مطلب مورد توجه شما قرار گرفته باشد.

واژه نامه