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Lexikon der Biologie: Restriktionsenzyme

Restriktionsenzyme, Restriktionsendonucleasen, Restriktionsendodesoxyribonucleasen, bakterielle Enzyme, die spezifisch 4–8 Basenpaare lange Sequenzen, die Restriktionsschnittstellen, erkennen und anschließend beide Stränge der DNA (Desoxyribonucleinsäuren) an dieser Stelle schneiden. Diese Doppelstrang-DNA spaltenden Enzyme (Desoxyribonucleasen, Endonucleasen) spalten im Gegensatz zu anderen DNasen sequenzspezifisch und immer innerhalb des DNA-Strangs und führen daher je nach Häufigkeit und Lage der betreffenden Schnittstellen zu mehr oder weniger großen, exakt definierten DNA-Fragmenten. Diese Eigenschaft zusammen mit der Vielzahl der bekannten Restriktionsenzyme (bzw. deren Schnittstellen; in der Tab. ist nur ein kleiner Teil der bekannten Restriktionsenzyme aufgeführt; vgl. Infobox ) hat die Restriktionsenzyme zu unentbehrlichen Hilfsmitteln in der molekularen Gentechnologie (besonders bei der Klonierung und Sequenzierung von Desoxyribonucleinsäuren) gemacht. Neben den sequenzspezifisch spaltenden Restriktionsenzymen (sog. Typ-II-Enzyme) gibt es 2 weitere Klassen (Typ I und III) von Restriktionsenzymen, die DNA ATP-abhängig nach einem anderen Modus spalten, wobei Erkennungssequenz und Schnittstellen weit (24–26 Basenpaare bei Typ III, über 1000 Basenpaare bei Typ I) voneinander entfernt sein können. – Die physiologische Bedeutung der Restriktionsenzyme, die bisher nur in Mikroorganismen beobachtet wurden – man hat inzwischen Restriktionsenzyme von mehreren hundert verschiedenen Bakterienarten isoliert –, scheint generell im Schutz einer Zelle gegenüber eingedrungener Fremd-DNA zu liegen (Transduktion). Zwar enthält zelleigene DNA in der Regel ebenfalls Schnittsequenzen für die in der betreffenden Zelle enthaltenen Restriktionsenzyme. Durch Methylierung werden diese Schnittstellen jedoch maskiert und können so durch die eigenen Restriktionsenzyme nicht erkannt werden, wodurch zelleigene DNA intakt bleibt. Diese Methylierung wird von dem sog. Modifikationsenzym durchgeführt. Dagegen fehlt eingedrungener Fremd-DNA, wie z.B. viraler DNA, diese Modifikation, weshalb sie durch Restriktionsenzyme gespalten wird und die in ihr enthaltene genetische Information nicht zur Replikation bzw. Ausprägung (Genexpression) kommt. Zusammen mit der Restriktionsendonuclease bildet das methylierende System das Restriktions-Modifikationssystem, mit dessen Hilfe die Wirts-DNA geschützt ist, während fremde DNA abgebaut wird. Dieser Schutzmechanismus wird allerdings durchbrochen, sofern die jeweilige Fremd-DNA schon vorher in Wirtszellen des gleichen Bakterienstamms repliziert wurde (etwa als virale DNA während eines Infektionszyklus oder als Plasmid bei der bakteriellen Konjugation bzw. im Rahmen gentechnologischer Experimente) und dabei ebenfalls an den Schnittsequenzen methyliert wurde. Sie wird dadurch wie zelleigene DNA gegenüber den Restriktionsenzymen des Wirts resistent und kann damit zur Replikation und Expression gelangen. Zu einem sehr kleinen Bruchteil (1:104) kann auch zunächst nichtmethylierte Fremd-DNA kurz nach dem Eindringen in „neue“ Wirtszellen methyliert werden, wodurch sie gleichsam in einem Wettlauf zwischen Methylierung und Spaltung den betreffenden Restriktionsenzymen „entkommen“ und hinfort als zelleigene DNA repliziert werden kann. Der weitgehende Ausschluß (= Restriktion) der Vermehrung von Fremd-DNA gegenüber DNA, die vorher im gleichen Stamm repliziert wurde, hat schon in den 1960er Jahren zur Prägung des Begriffs Restriktion geführt. Erst Anfang der 1970er Jahre wurden die Restriktionsenzyme als molekulare Grundlage der Restriktion erkannt. Arber (W.), Basenmethylierung, Berg (P.), blunt end, Nathans (D.), Restriktionsanalyse, Restriktionskarte, RFLP, RSP, Sequenzierung, Smith (H.O.), sticky ends, Vektoren; Gentechnologie .

H.K./S.Kl.

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