In molecular biology, endonucleases are enzymes that cleave the phosphodiester bond within a polynucleotide chain (namely DNA or RNA). Some, such as deoxyribonuclease I, cut DNA relatively nonspecifically (without regard to sequence), while many, typically called restriction endonucleases or restriction enzymes, cleave only at very specific nucleotide sequences. Endonucleases differ from exonucleases, which cleave the ends of recognition sequences instead of the middle (endo) portion. Some enzymes known as "exo-endonucleases", however, are not limited to either nuclease function, displaying qualities that are both endo- and exo-like. Evidence suggests that endonuclease activity experiences a lag compared to exonuclease activity.

Restriction enzymes are endonucleases from eubacteria and archaea that recognize a specific DNA sequence. The nucleotide sequence recognized for cleavage by a restriction enzyme is called the restriction site. Typically, a restriction site will be a palindromic sequence about four to six nucleotides long. Most restriction endonucleases cleave the DNA strand unevenly, leaving complementary single-stranded ends. These ends can reconnect through hybridization and are termed "sticky ends". Once paired, the phosphodiester bonds of the fragments can be joined by DNA ligase. There are hundreds of restriction endonucleases known, each attacking a different restriction site. The DNA fragments cleaved by the same endonuclease can be joined regardless of the origin of the DNA. Such DNA is called recombinant DNA; DNA formed by the joining of genes into new combinations. Restriction endonucleases (restriction enzymes) are divided into three categories, Type I, Type II, and Type III, according to their mechanism of action.  These enzymes are often used in genetic engineering to make recombinant DNA for introduction into bacterial, plant, or animal cells, as well as in synthetic biology. One of the more famous endonucleases is Cas9.

Categories 

Ultimately, there are three categories of restriction endonucleases that relatively contribute to the cleavage of specific sequences. The types I and III are large multisubunit complexes that include both the endonucleases and methylase activities. Type I can cleave at random sites of about 1000 base pairs or more from the recognition sequence and it requires ATP as source of energy. Type II behaves slightly differently and was first isolated by Hamilton Smith in 1970. They are simpler versions of the endonucleases and require no ATP in their degradation processes. Some examples of type II restriction endonucleases include BamHI, EcoRI, EcoRV, HindIII, and HaeIII. Type III, however, cleaves the DNA at about 25 base pairs from the recognition sequence and also requires ATP in the process.

Notations

The commonly used notation for restriction endonucleases is of the form "VwxyZ", where "Vwx" are, in italics, the first letter of the genus and the first two letters of the species where this restriction endonuclease may be found, for example, Escherichia coli, Eco, and Haemophilus influenzae, Hin.  This is followed by the optional, non-italicized symbol "y", which indicates the type or strain identification, for example, EcoR for E. coli strains bearing the drug resistance transfer factor RTF-1, EcoB for E. coli strain B, and Hind for H. influenzae strain d. Finally, when a particular type or strain has several different restriction endonucleases, these are identified by Roman numerals, thus, the restriction endonucleases from H. influenzae strain d are named HindI, HindII, HindIII, etc. Another example: "HaeII" and "HaeIII" refer to bacterium Haemophilus aegyptius (strain not specified), restriction endonucleases number II and number III, respectively.  The restriction enzymes used in molecular biology usually recognize short target sequences of about 4 – 8 base pairs. For instance, the EcoRI enzyme recognizes and cleaves the sequence 5' – GAATTC – 3'.

Restriction endonucleases come in several types. A restriction endonuclease typically requires a recognition site and a cleavage pattern (typically of nucleotide bases: A, C, G, T). If the recognition site is outside the region of the cleavage pattern, then the restriction endonuclease is referred to as Type I. If the recognition sequence overlaps with the cleavage sequence, then the restriction endonuclease restriction enzyme is Type II.

Further discussion

Restriction endonucleases may be found that cleave standard dsDNA (double-stranded DNA), or ssDNA (single-stranded DNA), or even RNA. This discussion is restricted to dsDNA; however, the discussion can be extended to the following:
 Standard dsDNA
 Non-standard DNA
 Holliday junctions
 Triple-stranded DNA, quadruple-stranded DNA (G-quadruplex)
 Double-stranded hybrids of DNA and RNA (one strand is DNA, the other strand is RNA)
 Synthetic or artificial DNA (for example, containing bases other than A, C, G, T, refer to the work of Eric T. Kool). Research with synthetic codons, refer to the research by S. Benner, and enlarging the amino acid set in polypeptides, thus enlarging the proteome or proteomics, see the research by P. Schultz.

In addition, research is now underway to construct synthetic or artificial restriction endonucleases, especially with recognition sites that are unique within a genome.

Restriction endonucleases or restriction enzymes typically cleave in two ways: blunt-ended or sticky-ended patterns. An example of a Type I restriction endonuclease.

Furthermore, there exist DNA/RNA non-specific endonucleases, such as those that are found in Serratia marcescens, which act on dsDNA, ssDNA, and RNA.

DNA repair 

Endonucleases play a role in DNA repair. AP endonuclease, specifically, catalyzes the incision of DNA exclusively at AP sites, and therefore prepares DNA for subsequent excision, repair synthesis and DNA ligation. For example, when depurination occurs, this lesion leaves a deoxyribose sugar with a missing base. The AP endonuclease recognizes this sugar and essentially cuts the DNA at this site and then allows for DNA repair to continue. E. coli cells contain two AP endonucleases: endonuclease IV (endoIV) and exonuclease III (exoIII) while in eukaryotes, there is only one AP endonuclease.

DNA crosslink repair

Repair of DNA in which the two complementary strands are joined by an interstrand covalent crosslink requires multiple incisions in order to disengage the strands and remove the damage.  Incisions are required on both sides of the crosslink and on both strands of the duplex DNA.  In mouse embryonic stem cells, an intermediate stage of crosslink repair involves production of double-strand breaks.   MUS81/EME1 is a structure specific endonuclease involved in converting interstrand crosslinks to double-strand breaks in a DNA replication-dependent manner.  After introduction of a double-strand break, further steps are required to complete the repair process.  If a crosslink is not properly repaired it can block DNA replication.

Thymine dimer repair

Exposure of bacteriophage (phage) T4 to ultraviolet irradiation induces thymine dimers in the phage DNA.  The phage T4 denV gene encodes endonuclease V that catalyzes the initial steps in the repair of these UV-induced thymine dimers.  Endonuclease V first cleaves the glycosylic bond on the 5’ side of a pyrimidine dimer and then catalyzes cleavage of the DNA phospodiester bond that originally linked the two nucleotides of the dimer. Subsequent steps in the repair process involve removal of the dimer remnants and repair synthesis to fill in the resulting single-strand gap using the undamaged strand as template.

Common endonucleases 

Below are tables of common prokaryotic and eukaryotic endonucleases.

Mutations 

Xeroderma pigmentosa is a rare, autosomal recessive disease caused by a defective UV-specific endonuclease. Patients with mutations are unable to repair DNA damage caused by sunlight.

Sickle Cell anemia is a disease caused by a point mutation. The sequence altered by the mutation eliminates the recognition site for the restriction endonuclease MstII that recognizes the nucleotide sequence.

tRNA splicing endonuclease mutations cause pontocerebellar hypoplasia. Pontocerebellar hypoplasias (PCH) represent a group of neurodegenerative autosomal recessive disorders that is caused by mutations in three of the four different subunits of the tRNA-splicing endonuclease complex.

See also
 Exonuclease
 Restriction endonuclease
 Nuclease
 Ribonuclease
 AP endonuclease
 HUH-tag

References

EC 3.1
핵산 중간 분해 효소(核酸中間分解酵素, )는 폴리뉴클레오타이드 사슬 안에서 인산다이에스터 결합을 절단하는 효소이다. 엔도뉴클레이스, 핵산내부가수분해효소(核酸內部加水分解酵素)라고도 한다. 디옥시리보핵산 가수 분해 효소 I(Deoxyribonuclease I)와 같은 일부는 DNA를 상대적으로 비특이적으로 (서열에 관계없이) 절단하지만, 제한 핵산 중간 분해 효소 또는 제한 효소로 불리는 많은 효소들은 매우 특정한 뉴클레오타이드 서열에서만 절단된다. 핵산 중간 분해 효소는 핵산 외부 가수분해 효소(Exonuclease)와 다르며, 핵산 외부 가수분해 효소는 중간부분 대신 인식 서열의 말단을 절단한다.

제한효소는 특정 DNA 서열을 인식하는 세균 및 고균의 핵산 중간 분해 효소이다. 제한 효소에 의한 절단에 대해 인식되는 뉴클레오타이드 서열을 제한 부위라고 한다. 일반적으로 제한 부위는 약 4개에서 6개의 뉴클레오티드의 길이로 된 팔레드로믹 시퀀스가 된다. 대부분의 제한 핵산 중간 분해 효소는 DNA 가닥을 불균일하게 절단하여 상보적인 단일 가닥 말단을 남긴다. 이들 단부는 혼성화를 통해 재연결될 수 있으며, 이를 점착성 말단(Sticky End)로 불린다. 쌍을 이루면 단편의 포스포다이에스터 결합은 DNA 연결 효소에 의해 연결된다. 수백 가지의 제한 핵산 중간 분해 효소가 알려져 있고, 각각 다른 제한 부위를 절단한다. 동일한 핵산 중간 분해 효소에 의해 절단된 DNA 단편은 DNA의 기원에 관계없이 함께 결합 될 수있다. 이러한 DNA를 재조합 DNA라고 한다. 제한 핵산 중간 분해 효소(제한효소, Restriction Enzyme)는 작용 기전에 따라 유형 I, 유형 II, 유형 III의 범주로 나뉜다. 이 효소는 유전공학에서 세균, 식물, 동물 세포 및 합성생물학에 도입하기 위한 재조합 DNA를 만드는 데 사용된다. 가장 유명한 핵산 중간 분해 효소는 Cas9이다.

카테고리 
특정 서열의 절단에 상대적으로 기여하는 제한 효소의 3가지 범주 중 제한 핵산 중간 분해 효소가 존재한다. 유형 I 및 III은 핵산 중간 분해 효소 및 메틸 전이 효소 활성을 포함하는 큰 다중 소단위 복합체이다. 유형 I은 인식 서열로부터 약 1000개 이상의 염기쌍의 임의의 부위에서 절단 할 수 있고, 에너지원으로서 ATP를 필요로 한다. 유형 II는 약간 다르게 작동한다. 이들은 핵산 중간 분해 효소의 단순한 버전이며 분해 과정에서 ATP가 필요하지 않다. II 형 제한 핵산 중간 분해 효소의 일부 예는 Bam HI, Eco RI, Eco RV, Hin dIII 및 Hae III을 포함한다. 그러나, 유형 III은 인식 서열로부터 약 25개의 염기쌍으로 DNA를 절단하고 그 공정에서 ATP를 필요로 한다.

표기법 
제한 핵산 중간 분해 효소에 대해 일반적으로 사용되는 표기법은 'Vwx yZ'형식이며, 여기서 'Vwx'는 이탤릭체로 제한 핵산 중간 분해 효소가 발견된 종의 속명 첫 글자와 종소명 첫 글자 두 개로 표기한다. 예를 들어, 대장균(Escherichia coli)에서 발견된 핵산 중간 분해 효소의 'Vwx'는 'Eco'가 된다. 또한 헤모필루스 인플루엔자(Haemophilus influenzae)에서 발견된 핵산 중간 분해 효소의 'Vwx'는 'Hin'이 된다. 또한 유형 또는 변형률 식별을 나타내는 선택적 기호 'y'가 존재한다. 예를 들어, 약물 저항 전달 인자 RTF-1을 가진 대장균주 B의 Eco B, 헤모필루스 인플루엔자 d의 Hin d가 그 예시이다. 마지막으로, 특정 유형이나 변종에 여러 가지 다른 제한 효소가 있을 경우, 이것들은 로마 숫자로 표기하며 'Z' 자리에 표기하게 된다. 예를 들어, Hin의 변종주 d로부터의 제한 핵산 중간 분해 효소는 Hin dI, Hin dII, Hin dIII로 명명된다. 분자생물학에 사용되는 제한 효소는 일반적으로 약 4~8개의 염기쌍의 짧은 표적 서열을 인식한다. 예를 들어, Eco RI는 서열 5'–GAATTC –3'을 인식하고 절단한다.

제한 핵산 중간 분해 효소는 여러 유형으로 나뉜다. 제한 핵산 중간 분해 효소는 전형적으로 인식 부위 및 절단 패턴(일반적인 뉴클레오타이드 염기 : A, C, G, T)을 필요로 한다. 인식 부위가 절단 패턴의 영역 밖에 있다면, 제한 핵산 중간 분해 효소는 유형 I로 지칭된다. 인식 서열이 절단 서열과 겹치면 제한 핵산 중간 분해 효소는 유형 II로 지칭된다.

DNA 수선 
핵산 중간 분해 효소는 DNA 수선에 중요한 역할을 한다. AP 핵산 중간 분해 효소 부위에서 DNA의 절개를 독점적으로 촉매하고, 그 후 후속 절제, 수선 합성 및 DNA 결찰을 위해 DNA를 제조한다. 예를 들어, 탈퓨린화가 발생하면 이 병변은 염기가 없는 디옥시리보스당을 남긴다. AP 핵산 중간 분해 효소는 이 당을 인식하고 이 부위에서 DNA를 절단 한 다음 DNA 수선이 계속되도록 한다. 대장균은 2개의 AP 핵산 중간 분해 효소를 포함한다. 핵산 중간 분해 효소 IV(endoIV) 및 핵산 외부 가수분해 효소 III(exoIII) 진핵생물에서는 하나의 AP 핵산 중간 분해 효소가 존재한다.

일반적인 핵산 중간 분해 효소 
아래의 표는 일반적인 원핵생물 및 진핵생물의 핵산 중간 분해 효소이다.

참고 

 핵산 외부 가수분해 효소
 제한효소
 핵산 분해 효소
 리보뉴클리에이스
 AP 핵산 중간 가수분해 효소

각주 

EC 3.1