Бактеріальна ДНК захищена за допомогою систем рестрикції-модифікації.
Вже давно було відомо, що в бактеріальній ДНК серед мільйонів звичайних основ (А, Т, G і С) зустрічаються основи, що несуть додаткові металеві групи. Біологічне значення цих метильованих основ стало зрозумілим внаслідок низки важливих відкриттів, які вплинули на розвиток генетики і, зокрема, біохімічної генетики. Для кожного виду бактерій характерна своя особлива картина розподілу метильованих підстав ДНК, що відрізняє її від ДНК інших видів. Якщо ДНК будь-якого іншого виду якимось чином проникне в живу бактеріальну клітину, то вона буде визнана там «чужорідною» саме за відсутністю в ній специфічною для цього виду картини розподілу метильованих основ, властивою ДНК клітин цього виду. У такій ситуації чужорідна ДНК буде зруйнована специфічною нуклеазою, яка розщеплює обидва ланцюги ДНК безпосередньо в тому місці, де відсутні характерні для ДНК клітини-господаря метильовані підстави, або поблизу цього місця. Таким чином чужорідні ДНК піддаються рестрикції: вони руйнуються за допомогою специфічних нуклеазів, що виробляються кожним видом бактерій.
ДНК бактерій цього виду захищена двома близькими за своєю специфічністю ферментами: 1) модифікуючою метилазою і 2) рестриктуючою ендонуклеазою. Модифікуюча метилаза відповідає за утворення специфічної для цього виду картини метилювання у певних коротких послідовностях власної ДНК клітини. Металеві групи в цих послідовностях залишаються без змін протягом усього життя клітини. Відповідна рестрик тируюча ендонуклеаза у свою чергу розщеплює обидва ланцюги будь-якої іншої ДНК, в якій ці специфічні послідовності підстав не метильовані. Прикладом може бути рестриктуюча ендонуклеаза Hinduбактерії Haemophilus influenzae (кожна рестриктуюча ендонуклеаза має своє позначення). Цей фермент розщеплює обидва ланцюги будь-якої ДНК, що містить певну послідовність основ у місцях, зазначених стрілками:
але не розщеплює цю ж послідовність, якщо підстави, відмічені червоною зірочкою, метильовані:
Надалі під дією інших клітинних нуклеаз така ДНК руйнується до мононуклеотидів.
У табл. 27-7 наведено специфічні послідовності, що атакуються типовими рестриктирующими ендонуклеазами (позначеними символами) з різних видів бактерій. Кожна з відомих таким ферментом послідовностей має симетрію другого порядку.
Таблиця 27-7. Специфічність деяких рестриктуючих ендонуклеаз
Залежно від типу рестриктирующей ендонуклеази у місці розщеплення дволанцюжкової ДНК утворюються чи «тупі», тобто. заповнені кінці (як у випадку описаної вище Hind II), або кінці, що виступають (прикладом може служити ендонуклеаза Eco RI з Е. coli). В останньому випадку два кінці, що перекриваються, називають липкими, оскільки вони здатні утворити один з одним комплементарні пари основ.
Було підраховано, що послідовності шести нуклеотидів з осьовою симетрією другого порядку можуть зустрічатися в будь-якій ДНК незалежно від виду з ймовірністю 1:4000. Оскільки молекули ДНК бактерій складаються з мільйонів нуклеотидних пар ймовірність того, що будь-яка бактеріальна ДНК розщепиться хоча б один раз будь-якою даною ендонуклеазою, що рестрикує, дуже велика. Однак клітина-господар захищає свою власну ДНК шляхом метилювання одного або декількох підстав у послідовності, схильній до рестрикції; метильована послідовність не зв'язується зрестриктуючої ендонуклеазою і тому не розщеплюється.
У різних видів бактерій виявлено вже понад 150 різних рестриктуючих ендонуклеаз. Деякі бактерії містять більше одного набору модифікуючих метилаз і ендонуклеаз, що рестриктують. Однак ДНК вірусів бактерій навчилися за допомогою низки способів долати рестрикційний захист клітин їхніх господарів. Деякі вірусні ДНК містять різного роду модифіковані підстави, які дозволяють їм уникати розщеплення рестриктирующими ендонуклеазами клітини-господаря, в яку вони потрапили. Модифікуючими групами таких вірусних ДНК служать металеві, гидроксиметильные і глюкозильні групи. Інші віруси в ході еволюції придбали такі послідовності в ДНК, які не містять ділянок, відомих деякими рестриктуючими ендонуклеазами.
Рестриктуючі нуклеази виявилися виключно корисними як інструмент у генетичних дослідженнях, оскільки вони дозволяють відтворювати розщеплення обох ланцюгів ДНК у строго певних точках.
Виявлення ферментів з такими властивостями відкрило нову епоху в біохімії генів. Завдяки рестриктуючим ендонуклеазам, багато з яких в даний час виробляються фірмами і надходять у продаж, стало можливим цілеспрямоване розрізання та картування хромосом; ці ферменти стали також необхідним інструментом щодо нуклеотидних послідовностей ДНК. Рестриктуючі ендонуклеази дозволили розпочати роботи з вбудовування генів одного організму в геном іншого (гл. 30). Вченим, які відкрили явище рестрикції ДНК, що вивчили природу дії рестриктуючих ендонуклеаз і показали можливість їх використання для вирізування генів, - Вернер Арбер зі Швейцарії, Гамільтон Сміт і Даніель Натанс (обидва останніх зі США) в 1978р. було присуджено Нобелівську премію з фізіології та медицини.