基因手术刀和分子缝合线

基因手术刀和分子缝合线

前面已经讲过，制备基因的方法之一，是用“基因手术刀”切割DNA分子。同时，要使外来的DNA分子片段，即人们用各种方法制备的基因，嵌入各种载体的环状DNA分子中去，必须使用“基因手术刀”将载体的环状DNA分子割断。那么，“基因手术刀”是一种什么东西呢？

“基因手术刀”是一种称之为限制性内切核酸酶的蛋白质分子。这类酶有一个特点，即能够对DNA分子进行切割手术。每一种限制性内切核酸酶的特异性都很强，它只在一定的核苷酸顺序上起作用。应用不同的限制性内切核酸酶，可以得到包含某些特定的基因或基因组的DNA片段。它应用到分子手术上，则可以切割开载体的环状DNA分子，使外源基因嵌入载体中去。人们形象地称这种特殊的酶为“基因手术刀”。

限制性内切核酸酶是1968年发现的。两个科学家用大肠杆菌K₁₂菌珠作酶源，提纯出了第一个限制性内切核酸酶ECok。以后，在大肠杆菌的其他菌珠、流感嗜血杆菌等24属68株细菌中，发现了91种不同的限制酶。

为什么要在这种酶的名字前面加上“限制”二字呢？原来，限制酶可以看作是一种生物体中的防御系统。一般来说，限制酶在生物体内与另一种甲基化酶协同作用，来限制外来的DNA分子，即破坏外源DNA，修饰保护自身的DNA。人们称细菌中这套系统为限制—修饰系统。“限制酶”的名字，也由此而产生。

限制酶切断DNA的方式有两种。一种可以产生所谓的黏性末端。也就是说，经过限制酶切割的DNA分子双链，不是被整齐地切断，而是（在切口上）一条单链比另一条单链长，有几个核苷酸单体暴露在切断的DNA分子末端之外。在分子遗传工程中，研究进行体外重组DNA分子时，使用产生黏性末端的酶，操作较为简单。只要用同一种限制酶处理两种DNA，产生的DNA片段就可互相重组，再经用“基因手术线”缝合，即可产生新的DNA分子（见图5）。

限制酶切断DNA分子的另一种方式，为产生平的末端，即双链切口是整齐的，没有伸出来的单链。使用这种平的末端DNA进行分子手术时，还需要经过一系列酶的处理，在这些DNA片段双链末端加上一个黏性末端，然后再像带黏性末端的DNA片段一样进行分子重组手术（见图6）。

图5　带黏性末端的DNA片段重组

在进行基因手术时，使用的基因手术线是一种连接酶，即我们在“基因的制备”里谈到的DNA连接酶。DNA连接酶同限制酶一样，是分子遗传工程中重组DNA时的重要工具。

近来，由于对连接酶的深入研究，DNA连接酶不仅可以用粘接方式重组DNA，而且能够将仅有平末端的DNA片段用端接的方法连接起来。端接使重组DNA的技术更为灵活，可以免去制备黏性接尾步骤。

图6　粘接和端接示意图