понентами систем рестрикции-модификации, будут представлены только в той мере, в которой это будет необходимо для характеристики рестриктаз.

5

Часть I. ФЕРМЕНТЫ РЕСТРИКЦИИ II ТИПА

1. ФЕРМЕНТЫ РЕСТРИКЦИИ, ИХ НОМЕНКЛАТУРА И КЛАССИФИКАЦИЯ

История открытия ферментов рестрикции, детальная характеристика их биологической роли, энзиматических и структурных особенностей детально рассмотрена в большом количестве обзоров [49, 58, 59, 62, 263, 309, 417]. Учитывая направленность настоящего обзора на рассмотрение одного из известных типов рестриктаз, в этом его разделе ограничимся лишь описанием некоторых общих вопросов, призванных в первую очередь определить место специфических эндонуклеаз (рестриктаз II типа) среди других обсуждаемых ферментов.

Открытие рестриктаз уходит корнями в исследование молекулярных основ феномена хозяйской специфичности, обнаруженного в начале пятидесятых годов, в ходе изучения эффективности посева фагов при смене хозяина [76, 234, 235]. Последующие исследования этого явления, выполненные в основном Арбером с сотр. [60, 61, 62, 126, 232], привели к раскрытию состава и особенностей функционирования штаммо-специфической системы рестрикции и модификации ДНК. В эту систему входят два специфичных для определенного штамма фермента — ДНК модифицирующий (метилаза цитозиновых или адениновых остатков ДНК) и ДНК расщепляющий (эндодезок-сирибонуклеаза-рестриктаза). Эти ферменты узнают в ДНК идентичные короткие последовательности нуклеотидов. Метилаза, модифицируя определенные основания в пределах узнаваемого участка, защищает внутриклеточную ДНК от действия рестриктазы. Проникшая в микробную клетку, обладающую системой хозяйской специфичности, немодифицированная соответствующим образом ДНК подвергается расщеплению внутриклеточной специфической эндонуклеазой. В подавляющем большинстве случаев это приводит к инактивации этой ДНК.

Первые рестрикционные эндонуклеазы были выделены в 1968 г. из штаммов Е. coli В и К [232, 266]. Оказалось, что системы рестрикции-модификации довольно широко распространены у бактерий. Из различных штаммов микроорганизмов были выделены ферменты рестрикции-модификации, различающиеся между собой по структурной организации, потребностям к кофакторам и особенностям субстратной специфичности.

Стремительный рост числа обнаруженных ферментов рестрикции и накопление данных об их структурных и функциональных особенностях вызвал необходимость ввести единую номенклатуру и классификацию этих энзимов.

Перед тем, как приступить к изложению вышеуказанных вопросов, следует отметить, что за прошедший период выделено

6

и идентифицировано особенно много специфических эндодезок-сирибонуклеаз [319], для которых не исследовано ни их участие в феномене рестрикции, ни наличие в этих же клетках соответствующей по специфичности метилазы. Тем не менее, для обозначения этих нуклеаз по традиции используется название рестриктаз (рестрикционных эндонуклеаз).

В настоящем обзоре термины специфические эндонуклеазы и рестриктазы будут использоваться как синонимы, имея в виду только их энзиматические свойства, а не биологическую функцию.

Номенклатуру для систем рестрикции-модификации и их ферментов предложили Смит и Натане [353]. Она включает следующие правила.

1. Название рода и вида микроорганизма обозначается тремя латинскими буквами — первой буквой названия рода и первыми двумя буквами названия вида, например, Escherichia coli — Eco, Bacillus amyloliquefaciens — Bam.

2. За родо-видовым обозначением следует обозначение штамма, например: ЕсоВ, ЕсоК- В том случае, если система рестрикции-модификации контролируется генами вируса или плазмиды, указывается символ нехромосомного элемента, например, EcoR. Если необходимо указать и штамм, и нехромосомный элемент, обозначение штамма приводится в скобках, например, Есо(В)Р.

3. Если один штамм содержит несколько различных систем рестрикции-модификации, они обозначаются римскими цифрами Hind I, Hind II, Hind III и т. д.

Для сокращенного обозначения рестриктаз предлагается их обозначать буквой R, а модифицирующие метилазы — буквой М, которые предшевствуют названию системы рестрикции-модификации, например, эндонуклеаза R-EcoB и метилаза М-ЕсоВ. Названия этих ферментов могут быть сокращены до endo R-EcoB и methM-EcoB.

Согласно вышеизложенной номенклатуре, трехбуквенные названия ферментов, выделенных из различных штаммов одного и того же вида, совпадают. Именно во избежание путаницы в названия рестриктаз было введено буквенное обозначение штамма-источника фермента (ЕсоК, ЕсоВ). В дальнейшем такую же функцию стал выполнять музейный номер культуры, например: Bsul076, BsullH, Bsul247 [342].

Роберте [314] для обозначения рестриктаз, выделяемых из штаммов одного и того же вида, предложил в сокращенном названии сохранить первые две буквы (первые буквы из названия рода и вида), а вторую букву из названия вида заменить иа следующую. Согласно этой номенклатуре ферменты, обнаруженные в различных штаммах микроорганизмов вида Мога-xella nonliquefaciens, следует называть Mno I, Mnn I и т. д.

'В настоящее время названия рестриктаз, выделенных из штаммов одного вида, образуются как по правилам Смита и

7

Натанса [353], так и Робертса [314]. Следует указать, что предложения Робертса применимы и в другом случае, а именно в том, когда при образовании названия новой рестриктазы по правилам Смита и Натанса [353] обнаруживается, что оно совпадает с уже существующим для описанной рестриктазы, но выделенной из другого вида микроорганизма. Например, рестриктаза, обнаруженная у Haemophilus haemoglobinophilus, должна была быть названа Hha I, но это название уже имела рестриктаза из Haemophilus haemolyticus, поэтому новая рестриктаза была названа Hhg [314].

На основании субъединичной структуры и потребности в кофакторах рестриктазы сначала были разделены на два типа [89]. В результате дальнейших исследований появились дополнительные критерии для классификации ферментов рестрикции. Был идентифицирован третий тип специфических эндонуклеаз [201, 307]. Основные свойства ферментов всех трех типов приведены в табл. 1, позаимствованной из обзора Юана [417]. Эта таблица представлена с незначительными дополнениями, касающимися новых сведений о субстратной специфичности сравниваемых ферментов рестрикции, отнесенных к разным типам [212, 292, 293, 319]. Включение в нее данных о модифицирующих метилазах является неизбежным, так как ферменты I и III типов представляют собой бифункциональные сложные белки, проявляющие как рестриктазную, так и ме-тилазную активность [157, 201, 307, 325, 418]. Кроме того, ферменты I типа обладают ярко выраженной АТФазной активностью [134, 418].

В табл. 1 даны исчерпывающие характеристики сравниваемых типов ферментов. Поэтому подробно они не будут обсуждаться.

В работах, посвященных изучению наиболее многочисленной группы эндонуклеаз, которые по своей субстратной специфичности могли бы быть отнесены к рестриктазам II типа, в основном их характеристика ограничивается определением узнаваемого участка, мес