分子生物学 において、エンドヌクレアーゼは ポリヌクレオチド 鎖（すなわちDNA またはRNA ）内のホスホジエステル結合 を切断する 酵素で ある。デオキシリボヌクレアーゼI のように、DNAを比較的非特異的に（配列に関して）切断するものもあれば、制限エンドヌクレアーゼ 制限酵素 と呼ばれる多くのものは、非常に特定のヌクレオチド配列のみを切断する。エンドヌクレアーゼは、認識配列の中央（エンド ）部分ではなく末端を切断するエキソヌクレアーゼとは異なる。しかし、「 エキソエンドヌクレアーゼ 」として知られる一部の酵素は、どちらのヌクレアーゼ機能にも限定されず、エンドヌクレアーゼとエキソヌクレアーゼの両方の性質を示す。[ 1 ] [ 2 ]
制限酵素は、特定のDNA配列を認識する真正細菌 および古細菌由来のエンドヌクレアーゼです。 [ 3 ] 制限部位 と呼ばれます。通常、制限部位は、約4～6ヌクレオチド長の回文 配列です。ほとんどの制限エンドヌクレアーゼは、DNA鎖を不均一に切断し、相補的な一本鎖末端を残します。これらの末端は、ハイブリダイゼーションによって再結合することができ、「粘着末端」と呼ばれます。いったん対になると、断片のホスホジエステル結合はDNAリガーゼ によって結合されます。数百種類の制限エンドヌクレアーゼが知られており、それぞれが異なる制限部位を攻撃します。同じエンドヌクレアーゼによって切断されたDNA断片は、DNAの起源に関係なく結合することができます。このようなDNAは組換えDNA と呼ばれ、遺伝子が新しい組み合わせで結合することによって形成されるDNAです。[ 4 ] 制限エンドヌクレアーゼ （制限酵素 ）は、その作用機序に基づいて、タイプI、タイプII、タイプIIIの3つのカテゴリーに分類されます。これらの酵素は、遺伝子工学において、細菌、植物、動物細胞に導入するための 組換えDNA を作成するために、また合成生物学 においてよく使用されます。[ 5 ] Cas9 です。
カテゴリー 最終的に、特定の配列の切断に相対的に寄与する制限エンドヌクレアーゼ には 3 つのカテゴリーがあります。タイプ I と III は、エンドヌクレアーゼ活性 とメチラーゼ 活性の両方を含む大きな多サブユニット複合体です。タイプ I は、認識配列から約 1000 塩基対以上離れたランダムな部位を切断することができ、エネルギー源として ATP を必要とします。タイプ II はわずかに異なる挙動を示し、1970 年にハミルトン スミスによって初めて単離されました。これらはエンドヌクレアーゼのより単純なバージョンであり、分解プロセスで ATP を必要としません。タイプ II 制限エンドヌクレアーゼの例としては、Bam HI、Eco RI、Eco RV、HindIII 、およびHae III などがあります。一方、タイプ III は、認識配列から約 25 塩基対離れた位置で DNA を切断し、このプロセスでも ATP を必要とします。[ 4 ]
表記法 制限エンドヌクレアーゼ[ 6 ] Vwx yZ」の形式で、「Vwx 」はイタリック体で、この制限エンドヌクレアーゼが見つかる属の最初の文字と種の最初の2文字を表します。たとえば、Escherichia coli 、Eco 、およびHaemophilus influenzae 、Hinです 。これに続いて、オプションでイタリック体ではない記号「y」が続き、これはタイプまたは株の識別を示します。たとえば、薬剤耐性伝達因子RTF-1を持つE. coli株の場合は Eco R 、 [ 6 ] E. coli 株Bの場合はEco B、[ 7 ] H. influenzae 株d の場合はHind dです。[ 6 ] H. influenzae 株 d の制限エンドヌクレアーゼはHin dI、Hind II、Hind III などと命名されます。別の例: 「Hae II」と「Hae III」は、細菌Haemophilus aegyptius (株は指定されていません) の制限エンドヌクレアーゼ番号 II と番号 III をそれぞれ指します。[ 4 ] : 64–64 Eco RI 酵素は、配列 5' – GAATTC – 3' を認識して切断します。[ 8 ]
制限酵素EcoRI 制限エンドヌクレアーゼにはいくつかの種類があります。制限エンドヌクレアーゼは通常、認識部位と切断パターン（通常はヌクレオチド塩基：A、C、G、T）を必要とします。認識部位が切断パターンの領域外にある場合、その制限エンドヌクレアーゼはI型と呼ばれます。認識配列が切断配列と重複している場合、その制限エンドヌクレアーゼは II型と呼ばれます。
エンドヌクレアーゼが関与するプロセス エンドヌクレアーゼは、生物の生命活動の多くの側面において重要な役割を果たしています。以下に、エンドヌクレアーゼが重要な役割を担うプロセスの例をいくつか示します。
DNA修復 エンドヌクレアーゼはDNA修復において役割を果たします。特にAPエンドヌクレアーゼは 、AP部位でのみDNAの切断を触媒し、その後の切除、修復合成、およびDNAライゲーションのためにDNAを準備します。たとえば、脱プリン化が起こると、この損傷により、塩基が欠落したデオキシリボース糖が残ります。[ 9 ] [ 10 ] 大腸菌 細胞には、エンドヌクレアーゼIV（endoIV）とエキソヌクレアーゼIII（exoIII）の2つのAPエンドヌクレアーゼが含まれていますが、真核生物にはAPエンドヌクレアーゼは1つしかありません。[ 11 ]
チミン二量体修復 バクテリオファージ（ファージ）T4を 紫外線 に曝露すると、ファージDNAにチミン二量体 が誘導される。ファージT4のdenV 遺伝子は、これらの紫外線誘導チミン二量体の修復の初期段階を触媒するエンドヌクレアーゼVをコードしている。 [ 13 ]
アポトーシス アポトーシス中、アポトーシスエンドヌクレアーゼDFF40 が活性化され、制御された細胞分解が開始されます。この分解は、ゲノムDNAが特定の断片に切断されることが特徴です。この文脈におけるエンドヌクレアーゼの正確な役割は、特定の部位でDNAを切断し、一定の長さの断片を生成することです。これらの断片はアポトーシス小体 にパッケージ化され、炎症や近隣細胞への損傷を引き起こすことなく、死滅する細胞をきれいに効率的に除去します。[ 14 ]
DNA複製 フラップエンドヌクレアーゼ1（FEN1） とDna2エンドヌクレアーゼは、ラギング鎖上のDNA複製 に不可欠であり、プライマー除去や岡崎 フラグメント処理などの重要なプロセスに関与しています。エンドヌクレアーゼは、これらのフラグメント間のホスホジエステル結合を切断することによって、これらのフラグメントの処理に積極的に関与しています。このプロセスは、岡崎フラグメントのシームレスな合成と結合に不可欠であり、新しく複製されたDNA鎖の全体的な連続性に貢献しています。[ 15 ] [ 16 ]
RNAプロセシング エンドヌクレアーゼ、特にエンドリボヌクレアーゼは 、遺伝子発現の基本的なステップであるRNAプロセシングにおいて重要な役割を果たします。このプロセスでは、エンドヌクレアーゼの誘導により、前駆体RNA分子が正確に切断され、様々な細胞機能に不可欠な機能性RNAが生成されます。エンドヌクレアーゼは、RNAプロセシング中に、前駆体RNAを特定の部位で選択的に切断し、機能性RNAセグメントの境界を規定します。RNAプロセシングの結果、トランスファーRNA（tRNA） やリボソームRNA（rRNA） などの機能性RNA分子が生成されます。エンドヌクレアーゼは、このプロセスの精度を高め、成熟した機能性RNA種の形成を確実にします。
RNase P やtRNase Z （ELAC2）などのエンドヌクレアーゼは、前駆体tRNAを成熟した機能的なtRNAに形作り、タンパク質合成中の正確な翻訳に不可欠な役割を果たします。[ 17 ] DROSHA などのRNase IIIファミリー のエンドヌクレアーゼが前駆体rRNAの処理に関与し、機能的なリボソームの組み立てに貢献します。[ 18 ]
DICER とDROSHA もRNase IIIファミリーに属し、pre-miRNAを機能的なmiRNAに処理する役割を担っている。[ 19 ]
さらなる議論 制限エンドヌクレアーゼは、標準的な二本鎖DNA（dsDNA）、一本鎖DNA（ssDNA）、さらにはRNAを切断するものも存在する。本稿ではdsDNAに限定して説明するが、以下のものにも適用できる。
休日交差点 三重鎖DNA 、四重鎖DNA（G-四重鎖 ）DNAとRNAの二本鎖ハイブリッド（一方の鎖はDNA、もう一方の鎖はRNA）[ 4 ] ： 合成DNAまたは人工DNA（例えば、A、C、G、T以外の塩基を含むもの。エリック・T・クール の研究を参照）。合成コドン を用いた研究については、S・ベナーの研究を参照。ポリペプチド中のアミノ酸セットを拡大し、プロテオームまたはプロテオミクス を拡大することについては、P・シュルツの研究を参照。[ 4 ] ： さらに、ゲノム内で固有の認識部位を持つ合成または人工の制限エンドヌクレアーゼを構築するための研究が現在進められている。
制限エンドヌクレアーゼまたは制限酵素は 、通常、平滑末端パターンまたは粘着末端パターンの2つの方法で切断します。タイプI制限エンドヌクレアーゼの例。[ 4 ] ：
さらに、セラチア・マルセセンス菌 DNA/RNA非特異的エンドヌクレアーゼも 存在する。
一般的なエンドヌクレアーゼ 以下に、一般的な原核生物および真核生物のエンドヌクレアーゼの表を示します。[ 21 ]
突然変異 色素性乾皮症は 、紫外線特異的エンドヌクレアーゼの欠陥によって引き起こされるまれな常染色体劣性疾患です。変異を持つ患者は、日光によって引き起こされるDNA損傷を修復することができません。[ 26 ]
鎌状赤血球貧血は点突然変異によって引き起こされる疾患である。突然変異によって変化した配列は、ヌクレオチド配列を認識する制限エンドヌクレアーゼMstIIの認識部位を消失させる。[ 27 ]
tRNAスプライシングエンドヌクレアーゼの変異は橋小脳低形成を引き起こす。橋小脳低形成（PCH）は、tRNAスプライシングエンドヌクレアーゼ複合体の4つの異なるサブユニットのうち3つの変異によって引き起こされる神経変性常染色体劣性疾患群である。[ 28 ]
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