ヌクレアーゼ（核酸を切断する酵素）

機構と特徴

ヌクレアーゼ反応の大半は加水分解反応である。水分子がホスホジエステル結合を攻撃し、この反応はしばしばマグネシウムやマンガンなどの金属イオン、および酵素活性部位に保存された触媒残基によって補助される。ヌクレアーゼには配列特異的なものと非特異的なものがあり、平滑末端または突出末端を生じうる。鎖の内部を切断するエンドヌクレアーゼとして働くものもあれば、末端からヌクレオチドを取り除くエキソヌクレアーゼとして働くものもある。

主な分類

• エンドヌクレアーゼ — 鎖内部の結合を切断する。配列特異的切断に用いられる多くの制限酵素を含む。
• エキソヌクレアーゼ — 5′末端または3′末端からヌクレオチドを除去する。校正および分解に重要である。
• RNaseとDNase — 基質特異性に基づく名称であり、RNase H、S1ヌクレアーゼ、DNase Iなどのサブクラスがある。
• プログラム可能なヌクレアーゼ — 標的ゲノム編集に用いられる、CRISPR関連ヌクレアーゼや設計ヌクレアーゼなどの人工的または適応的な系である。

歴史と重要性

ヌクレアーゼの認識は分子生物学を変革した。配列特異的な制限酵素の発見は、初期の組換えDNA技術を可能にし、主要な科学賞の対象となった。ヌクレアーゼの構造と特異性に関する理解の進歩は、クローニングからハイスループットシーケンシング、遺伝子編集に至る技術を推進してきた。

用途と例

細胞内では、ヌクレアーゼはRNAをプロセシングし、損傷DNAを除去し、組換えに関与するとともに、外来ゲノムに対する防御にも働く。実験室でも不可欠であり、制限酵素はクローニングのためにDNAを切断し、ヌクレアーゼはシーケンシング前処理で鋳型鎖を除去し、プログラム可能なヌクレアーゼは標的ゲノム改変を行う。その活性は、核酸を検出するアッセイや病原性RNAを分解する戦略など、治療および診断にも利用される。

実用上の区別と注目すべき事項

ヌクレアーゼ活性を選択または解釈する際の重要な区別には、配列特異性、補因子への依存性、一本鎖と二本鎖のどちらを選好するか、そして生成物の末端構造がある。一部の核酸触媒（リボザイム）は、タンパク質ではないにもかかわらず類似の化学反応を行う。ヌクレアーゼは標的分子を速やかに分解しうるため、実験および臨床応用での取り扱いには慎重な対照が必要である。