限制性内切酶

上一篇文章我们提到，细菌会受到作为病毒的噬菌体侵染。那么类比于人类的免疫系统，细菌是否有类似的系统可以抵抗噬菌体的入侵呢？

噬菌体侵染模式图。

答案是肯定的，由于细菌是单细胞生物，没有像高等动物那样细胞间信号转导协调的高级免疫系统，它们所能做的，就是想尽办法降解掉噬菌体注入它们胞内的DNA。

基于这一理念，细菌们进化出了一系列的酶促系统用于剪切掉外来的DNA。比较出名的两个系统大家耳熟能详：

1. 限制性核酸内切酶（restriction endonuclease），简称限制酶。转基因历史最悠久的基因表达载体构建手段之一，高中生物选修三默默点了个赞。

基因表带载体（质粒型）的构建过程。引自：Fundamentals of Biochemistry Life at the Molecular Level 5th

2. 大名鼎鼎的基因编辑CRISPR，相比于前者，这个系统更为灵活且具有记忆性，人们根据这一特点可以精确的设计相关靶点（坑加一）。

研究基因编辑的著名华人科学家张锋。

CRISPR系统中Cas9系统的基因元件图示。

Cas9蛋白的三维空间结构。

本篇文章主要讨论三种限制性核酸内切酶Type I、Type II、Type III，最常用的限制酶是Type II型的，因为其识别位点与切割位点相同。

Type I型限制酶通常分子量较大，且通常由多个亚基构成，除了内切核酸的功能之外还可以将DNA甲基化、作为ATPase等功能。这种酶只能切环形DNA分子且在识别目标序列之后会滑动很长一段距离再切断DNA，使用起来限制很多。

Type III型的限制酶没有Type I型那么夸张，剪切位点就在识别序列的旁边。

Type II型的剪切模式有两种，一种DNA双链的剪切点错开，会在末端留下来几个为配对的核苷酸，这种末端被称为粘性末端（sticky ends），这种末端可以被没有限制性的DNA连接酶轻易催化链接所以更实用；另一种双链剪切点错开，这种末端被称为平末端（blunt ends）。

两种剪切模式。引自：Fundamentals of Biochemistry Life at the Molecular Level 5th Edition by Donald V

由于连接酶没有特异性，所以识别序列不同但剪切出的末端相同的两种酶（如SalI与XhoI）切出的末端亦可以连接到一起，这样连接出的接口可以避免被相同的酶再次剪切，因而利用这些酶可以进行连续的切连操作。相关的国际机构也利用这个特点对基因元件接口进行了标准化。

常用限制酶。引自：Fundamentals of Biochemistry Life at the Molecular Level 5th Edition by Donald Voe

但是，细菌该怎么保护自己的DNA不被剪切掉呢？答案是对自己的DNA进行修饰，这种修饰是在DNA上添上甲基，被称作甲基化。限制酶无法剪切被甲基化的DNA。

本来是用来抵御外敌的系统，却被人类拿来用作它途，如果细菌会说话的话，一声mmp估计在所难免了。