كيف تقطع إنزيمات التقييد تسلسلات الحمض النووي؟

في الطبيعة، الكائنات الحية يجب عليهم حماية أنفسهم باستمرار من الغزاة الأجانب ، حتى على المستوى المجهري. في البكتيريا ، هناك مجموعة من الإنزيمات البكتيرية تعمل عن طريق تفكيك الغريبة الحمض النووي. تسمى عملية التفكيك هذه بالقيود وتسمى الإنزيمات التي تنفذ هذه العملية إنزيمات القيد.

إنزيمات التقييد مهمة جدا في تكنولوجيا الحمض النووي المؤتلف. تم استخدام إنزيمات التقييد للمساعدة في إنتاج اللقاحات والمنتجات الصيدلانية والمحاصيل المقاومة للحشرات ومجموعة من المنتجات الأخرى.

الماخذ الرئيسية

إنزيمات التقييد هي فئة من الإنزيمات التي تقطع الحمض النووي إلى شظايا بناءً على التعرف على تسلسل معين من النيوكليوتيدات. تُعرف إنزيمات التقييد أيضًا باسم نوكليازات تقييد.

في حين أن هناك المئات من إنزيمات التقييد المختلفة ، إلا أنها تعمل جميعها بنفس الطريقة. كل إنزيم لديه ما يعرف بتسلسل التعرف أو الموقع. عادة ما يكون تسلسل التعرف محددًا وقصيرًا النوكليوتيد تسلسل في الحمض النووي. تقطع الإنزيمات عند نقاط معينة ضمن التسلسل المعترف به. على سبيل المثال ، قد يتعرف إنزيم التقييد على تسلسل معين من الجوانين ، الأدينين ، الأدينين ، الثيمين ، الثيمين ، السيتوزين. عندما يكون هذا التسلسل موجودًا ، يمكن للإنزيم إجراء قطع متداخلة في العمود الفقري للسكر الفوسفات في التسلسل.

ولكن إذا انقطعت إنزيمات التقييد بناءً على تسلسل معين ، فكيف تحمي خلايا مثل البكتيريا الحمض النووي الخاص بها من أن تقطع بواسطة إنزيمات التقييد؟ في خلية نموذجية ، مجموعات الميثيل (CH₃) تضاف إلى القواعد في التسلسل لمنع التعرف عليها من قبل إنزيمات التقييد. تتم هذه العملية عن طريق الإنزيمات التكميلية التي تتعرف على نفس تسلسل قواعد النوكليوتيدات مثل الإنزيمات المقيدة. يُعرف مثيلة الدنا بالتعديل. مع عمليات التعديل والتقييد ، يمكن للخلايا أن تقطع الحمض النووي الأجنبي الذي يشكل خطرًا على الخلية مع الحفاظ على الحمض النووي المهم للخلية.

بناءً على التكوين المزدوج للحمض النووي ، فإن متواليات التعرف متناظرة على الحامل المختلفة ولكنها تعمل في اتجاهات معاكسة. تذكر أن الحمض النووي له "اتجاه" محدد بنوع الكربون في نهاية الخيط. يحتوي الطرف 5 'على مجموعة فوسفات متصلة بينما يحتوي الطرف 3 الآخر على مجموعة هيدروكسيل متصلة. فمثلا:

5 'نهاية -... الجوانين ، الأدينين ، الأدينين ، الثيمين ، الثيمين ، السيتوزين... - 3 'نهاية

3 'نهاية -... السيتوزين ، الثايمين ، الثايمين ، الأدينين ، الأدينين ، الجوانين... - 5 'نهاية

إذا ، على سبيل المثال ، يقطع إنزيم التقييد داخل التسلسل بين الجوانين والأدينين ، سيفعل ذلك مع كلا التسلسلين ولكن في نهايات متقابلة (حيث يعمل التسلسل الثاني في الاتجاه المعاكس اتجاه). بما أن الحمض النووي مقطوع على كلا الخيطين ، فسيكون هناك نهايات مكملة يمكن أن تربط الهيدروجين ببعضها البعض. غالبًا ما تسمى هذه النهايات "النهايات اللاصقة".

تعتبر الأطراف اللزجة للشظايا التي تنتجها إنزيمات التقييد مفيدة في بيئة المختبر. يمكن استخدامها لربط أجزاء الحمض النووي من مصادر مختلفة وكائنات مختلفة. يتم عقد الشظايا معا من قبل روابط هيدروجينية. من منظور كيميائي ، تعتبر روابط الهيدروجين عوامل جذب ضعيفة وليست دائمة. باستخدام نوع آخر من الإنزيم ، يمكن جعل الروابط دائمة.

الحمض النووي ligase هو انزيم مهم جدا يعمل في كل من تكرار وإصلاح الحمض النووي للخلية. وهو يعمل عن طريق المساعدة في ربط خيوط DNA معًا. يعمل عن طريق تحفيز رابطة فوسفوديستر. هذا السند هو رابطة تساهمية، أقوى بكثير من رابطة الهيدروجين المذكورة أعلاه وقادرة على الاحتفاظ بشظايا مختلفة معًا. عند استخدام مصادر مختلفة ، يكون للحمض النووي المؤتلف الناتج الذي تم إنتاجه مجموعة جديدة من الجينات.

هناك أربع فئات واسعة من إنزيمات التقييد: إنزيمات النوع الأول ، إنزيمات النوع الثاني ، إنزيمات النوع الثالث ، وإنزيمات النوع الرابع. جميعها لها نفس الوظيفة الأساسية ، ولكن الأنواع المختلفة مصنفة بناءً على التعرف عليها التسلسل ، وكيف يلتصقون ، وتكوينهم ، ومتطلبات المواد الخاصة بهم (الحاجة إلى ونوع العوامل المساعدة). بشكل عام ، تقطع إنزيمات النوع الأول الحمض النووي في أماكن بعيدة عن تسلسل التعرف ؛ النوع الثاني يقطع DNA داخل أو بالقرب من تسلسل التعرف ؛ النوع الثالث يقطع الحمض النووي بالقرب من تسلسل التعرف ؛ والنوع الرابع من الحمض النووي الممزوج.

• بيولابس ، نيو إنجلاند. "أنواع تقييد النوكليازات المقيدة". New England Biolabs: الكواشف لصناعة علوم الحياة، www.neb.com/products/restriction-endonucleases/restriction-endonucleases/types-of-restriction-endonucleases.
• ريس وجين ب. ونيل أ. كامبل. بيولوجيا كامبل. بنيامين كامينغز ، 2011.