제한효소

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제한효소

[ Restriction enzyme ]

제한효소(restriction enzyme) 또는 제한 핵산내부가수분해효소(restriction endonuclease)는 이중 가닥 DNA 분자의 특정한 염기서열을 인식하여 그 부분이나 그 주변을 절단하는 것을 촉매하는 효소를 지칭한다. 대부분의 제한효소는 각각 인식자리(recognition site) 혹은 제한자리(restriction site)라는 특수한 염기서열을 가진 위치에서 DNA를 절단한다. 원래 제한효소는 세균이 박테리오파지의 공격을 받으면 생산하는 효소로, 바이러스의 침입으로부터 자신을 방어하는 역할을 한다. 지금까지 약 3,000 종, 230여 가지의 다른 DNA 염기서열을 인식하는 제한효소가 발견되었고, 대부분은 세균으로부터 유래하였지만, 바이러스나 고세균, 진핵생물에서도 발견되었다.

목차

  1. 1.제한효소의 발견
  2. 2.제한효소의 명명과 분류
    1. 2.1.제한효소의 명명
    2. 2.2.제한효소의 분류
      1. 2.2.1.Ⅰ형(Type Ⅰ)
      2. 2.2.2.Ⅱ형(Type Ⅱ)
      3. 2.2.3.Ⅲ형(Type Ⅲ)
  3. 3.제한효소의 작용원리
  4. 4.제한효소의 이용
    1. 4.1.유전자 지도 작성
    2. 4.2.유전자 재조합
    3. 4.3.형질전환 동식물 개발
  5. 5.집필
  6. 6.감수
  7. 7.참고문헌

제한효소의 발견

1962년 베르너 아르버(Werner Arber)와 데이지 룰랑 뒤수아(Daisy Roulland-Dussoix)는 대장균에서 나타나는 DNA 제한 및 변형 현상이 두 가지 효소 즉 메틸화효소와 제한효소에 의해 나타난다는 것을 발견하였다.

1968년 매슈 메셀슨(Matthew Meselson)과 로버트 유안(Robert Yuan)은 최초로 제한효소 Ⅰ형을 정제하지만 인식자리와 제한자리가 비특이적이었다. 즉, 인식자리와 제한자리가 서로 다르다.

1970년 해밀턴 스미스(Hamilton Smith)가 Haemohilus influenzae균에서 Ⅱ형 제한효소를 분리하였고, 특정한 인식자리와 제한자리가 있다는 것을 밝혀냈다. 실험실에서 주로 사용한다.

제한효소의 명명과 분류

제한효소의 명명

제한효소의 이름은 보통 발견된 세균의 속명, 종명, 균주(strain)와 발견 순서에 따라 부여된다. 예로 EcoRⅠ는 Escherichia coli RY13 (앞에서부터 속, 종, strain을 의미한다.)에서 속명의 앞글자 E, 종명의 앞글자 co, strain명에서 R, 첫 번째 발견했다는 의미의 Ⅰ을 합해서 만들어졌다. HinfⅡ도 역시 Haemophilus influenza type f의 속명에서 H, 종명에서 in, strain에서 f, 발견된 순서에 따라 Ⅱ가 붙었다.

표 1. 제한효소의 인식자리 및 제한자리
Enzyme Source Recognition Sequence Cut
AluI Arthrobacter luteus 5'AGCT
3'TCGA 		5'---AG  CT---3'
3'---TC  GA---5'
BamHI Bacillus amyloliquefaciens 5'GGATCC
3'CCTAGG 		5'---G     GATCC---3'
3'---CCTAG     G---5'
EcoP15I Escherichia coli 5'CAGCAGN25NN
3'GTCGTCN25NN 		5'---CAGCAGN25   NN---3'
3'---GTCGTCN25NN   ---5'
EcoRI Escherichia coli 5'GAATTC
3'CTTAAG 		5'---G     AATTC---3'
3'---CTTAA     G---5'
EcoRII Escherichia coli 5'CCWGG
3'GGWCC 		5'---     CCWGG---3'
3'---GGWCC     ---5'
EcoRV Escherichia coli 5'GATATC
3'CTATAG 		5'---GAT  ATC---3'
3'---CTA  TAG---5'
HaeIII* Haemophilus aegyptius 5'GGCC
3'CCGG 		5'---GG  CC---3'
3'---CC  GG---5'
HgaI Haemophilus gallinarum 5'GACGC
3'CTGCG 		5'---NN  NN---3'
3'---NN  NN---5'
HindIII Haemophilus influenzae 5'AAGCTT
3'TTCGAA 		5'---A     AGCTT---3'
3'---TTCGA     A---5'
HinFI Haemophilus influenzae 5'GANTC
3'CTNAG 		5'---G   ANTC---3'
3'---CTNA   G---5'
KpnI Klebsiella pneumoniae 5'GGTACC
3'CCATGG 		5'---GGTAC  C---3'
3'---C  CATGG---5'
NotI Nocardia otitidis 5'GCGGCCGC
3'CGCCGGCG 		5'---GC   GGCCGC---3'
3'---CGCCGG   CG---5'
PstI Providencia stuartii 5'CTGCAG
3'GACGTC 		5'---CTGCA  G---3'
3'---G  ACGTC---5'
PvuII Proteus vulgaris 5'CAGCTG
3'GTCGAC 		5'---CAG  CTG---3'
3'---GTC  GAC---5'
SacI Streptomyces achromogenes 5'GAGCTC
3'CTCGAG 		5'---GAGCT  C---3'
3'---C  TCGAG---5'
SalI Streptomyces albus 5'GTCGAC
3'CAGCTG 		5'---G  TCGAC---3'
3'---CAGCT  G---5'
Sau3AI Staphylococcus aureus 5'GATC
3'CTAG 		5'---     GATC---3'
3'---CTAG     ---5'
ScaI Streptomyces caespitosus 5'AGTACT
3'TCATGA 		5'---AGT  ACT---3'
3'---TCA  TGA---5'
SmaI Serratia marcescens 5'CCCGGG
3'GGGCCC 		5'---CCC  GGG---3'
3'---GGG  CCC---5'
SpeI Sphaerotilus natans 5'ACTAGT
3'TGATCA 		5'---A  CTAGT---3'
3'---TGATC  A---5'
SphI Streptomyces phaeochromogenes 5'GCATGC
3'CGTACG 		5'---GCATG  C---3'
3'---C  GTACG---5'
StuI Streptomyces tubercidicus 5'AGGCCT
3'TCCGGA 		5'---AGG  CCT---3'
3'---TCC  GGA---5'
TaqI Thermus aquaticus 5'TCGA
3'AGCT 		5'---T   CGA---3'
3'---AGC   T---5'
XbaI Xanthomonas badrii 5'TCTAGA
3'AGATCT 		5'---T  CTAGA---3'
3'---AGATC  T---5'

제한효소의 분류 Ⅰ형(Type Ⅰ)

제한효소와 메틸화효소가 뭉쳐져 있고, 인식자리와 제한자리가 서로 다르다. 염기서열은 특이적으로 인식하지만, 인식자리에서 약 1,000개 염기 정도 떨어진 곳에서 비특이적으로 DNA를 자른다. ATP나 S-아데노실메티오닌, 마그네슘이온(Mg2+) 등이 활성에 필요하다. DNA 절단 위치의 특이성이 없기 때문에 실험 목적으로는 거의 사용하지 않는다.

Ⅱ형(Type Ⅱ)

인식자리가 특이적이고 제한자리 또한 주변의 염기로 특이적으로 작용한다. 즉, 인식자리와 제한자리가 서로 같다, 실험실에서 주로 사용하는 Ⅱ형 안에는 연관성이 낮은 여러 가지 제한효소가 섞여 있어서, 8개형으로 세분하여 분류한다.

Ⅲ형(Type Ⅲ)

Ⅰ형과 마찬가지로, 제한효소와 메틸화효소가 합쳐져 있다. 효소 활성에 ATP가 꼭 필요하고, 완전 절단이 거의 일어나지 않는 특징이 있다. DNA를 자르기 위해서는 DNA 분자 반대 방향으로 놓여 있는 또 다른 인식 염기서열이 있어야 한다. EcoPⅠ, HintⅢ, StyLTⅠ 등이 있다.

제한효소의 작용원리

제한효소가 인식하는 부위는 회문(palindrome)이라는 특수한 서열을 가진다. 즉 양 사슬의 5'에서 3' 방향으로 똑같은 염기서열을 가진다는 뜻이다. 특정 염기서열은 인식자리를 나타낸다. 예를 들어 효소 EcoRI는 DNA 이중나선에서 GAATTC라는 염기서열을 만날 때에만 DNA를 절단하여 5'-돌출 점착말단(5'-overhang sticky end)을 형성한다.

5'--GAATTC—3' → 5'--G/   AATTC--3'
3'--CTTAAG—5' → 3'--CTTAA/ G--5'
(/부분이 절단 되는 부분)

위와 같이 DNA의 이중 가닥 중 한 가닥이 돌출된 형태를 점착말단(sticky end)이라고 한다. 반면 DNA 이중가닥을 수직으로 자르는 제한효소도 존재하는데, 이렇게 잘린 DNA 말단부는 평활말단(비점착말단, blunt end)이라고 부른다. 제한효소마다 인식하는 염기서열의 개수도 차이가 있다. 보통 4개, 6개, 8개, 12개의 염기를 인식한다. 이렇게 수백 종류의 다양한 미생물로부터 분리된 제한효소는 각기 다른 인식서열을 가지고 있고, 시험관에서 DNA 시료를 원하는 절편으로 자르는 데 사용할 수 있다. 세포에서 제한효소가 자신의 DNA를 절단하는 것을 막기 위해 메틸화효소를 이용하여 자신의 DNA가 복제될 때 제한자리에 있는 특정 염기에 메틸기를 첨가한다. 제한효소는 이 메틸기를 인식하고 그 부분을 절단하지 않음으로써 자신의 DNA가 절단되는 것을 방지한다.

제한효소의 이용

유전자 지도 작성

몇 가지의 제한효소를 이용하여 목표 DNA와 섞어 주면, 각각의 제한효소가 특정한 염기서열을 인식해 DNA를 절단하므로, 특정한 제한효소 작용자리가 상대적으로 어느 위치인지 알 수 있다. 이를 이용하여 유전자 지도(염색체 지도, 플라스미드 지도)를 작성한다.

유전자 재조합

사람의 DNA 중 유용한 물질을 생산하는 부분을 제한효소로 절단하여 분리한 조각을 벡터로 사용하는 대장균의 플라스미드 DNA에 연결한다. 형질전환된 재조합 플라스미드를 대장균에 삽입하여, 짧은 시간에 유용한 물질을 대량 생산할 수 있다.

형질전환 동식물 개발

유용한 유전자를 제한효소로 잘라내어, 벡터를 이용하여 동식물의 DNA에 삽입한다. 유전자가 동식물에서 발현되면, 인간에게 유용한 단백질을 생산할 수 있다. 예로 사람의 인슐린이나 인터페론 등을 생산하거나, 식물의 형질전환으로 수확량과 병 저항성이 높은 유전자 조작 식물(LMO)과 식품(GMO)을 만들 수 있다.

집필

나종욱/민족사관고등학교

감수

석영재/서울대학교

참고문헌

  1. Restriction Enzymes, Microbiology,
  2. 위키백과, 제한효소,
  3. Roberts, R.J. 1976. Restriction endonucleases. CRC Critical Reviews in Biochemistry. 4,123–164.
  4. Pingoud, A. and Jeltsch, A. 2001. Structure and function of type II restriction endonucleases. Nucleic Acids Res. 29, 3705–3727. 

동의어

Restriction Enzyme, 제한효소, 제한효소(Restriction enzyme), Restriction enzyme, restriction enzyme