同尾酶

定义

同尾酶是限制性内切酶分类中的一类，指识别位点的碱基序列互不相同、切割后却产生相同黏性末端的一组酶^[1]。与它相对的是同裂酶，后者以识别相同的核苷酸序列为特征。

常见的同尾酶组合包括 BamHⅠ、BclⅠ、BglⅡ 与 Sau3AⅠ。它们分别识别 GGATCC、TGATCA、AGATCT 和 GATC 等不同序列，切割后却都留下含 GATC 的黏性末端^[2]。MboⅠ 与 BamHⅠ 也被用作说明同尾酶关系的典型例子，MboⅠ 识别 GATC，两个酶切出的突出端同为 GATC^[3]。

由于末端序列相同，同尾酶切出的 DNA 片段能够借助突出单链之间的互补配对彼此结合，从而把原本没有共同酶切位点的片段拼接起来^[2]。

原理

限制性内切酶识别双链 DNA 上的特定核苷酸序列并切断链间的磷酸二酯键，切点若落在两条链的对应位置会得到平末端，两条链的切断位置相互错开时则留下单链突出的黏性末端^[4]。

同尾酶的识别序列虽然不同，但切点相对于识别序列错开的方向和距离相同，因此暴露出的突出端序列完全一致。以 MboⅠ 切 N↓GATC、BamHⅠ 切 G↓GATCC 为例，两者都产生 4 个碱基长的 GATC 突出端^[3]；XbaⅠ（识别 TCTAGA）与 SpeⅠ（识别 ACTAGT）也属于同一情形，切出的突出端同为 CTAG^[5]。

两个片段退火配对后由DNA连接酶封接，但连接处的序列既不等于酶 A 的识别位点，也不等于酶 B 的识别位点，形成的杂种位点通常无法再被原来的两种酶切开^[2]。

flowchart LR

A["酶 A：识别位点 a"] --> B["切出 GATC 突出端"]

C["酶 B：识别位点 b"] --> D["切出 GATC 突出端"]

B --> E["突出端互补退火"]

D --> E

E --> F["连接酶封接，形成杂种位点"]

发展历程

1965 年，阿尔伯从理论上提出生物体内存在能够切割基因的限制性内切酶，1968 年分离出切割效果不理想的Ⅰ型酶；1970 年史密斯分离出Ⅱ型限制性内切酶，1971 年内森斯用Ⅱ型酶首次完成对基因的切割，三人因此获得 1978 年诺贝尔生理学或医学奖^[6]。

此后被鉴定并纯化的限制性内切酶不断增多，酶之间的关系成为分类依据之一：来源和识别序列都不同、却产生同样黏性末端的酶被归入同尾酶这一名目^[7]。

2010 年，《安徽农业科学》报道了利用同尾酶形成的黏性末端连接后不再被原酶识别与切割的特点，快速构建多肽基因串联体的方法，并据此获得人表皮生长因子基因的二联体与三联体^[8]。2024 年，一种以同尾酶酶切位点连接为中介的一管法核酸检测方法被公开，可用于甲基化、单核苷酸多态性或基因突变等特定位点的检测^[7]。

应用

在基因工程中，同尾酶被当作工具酶使用：当两个待拼接的 DNA 分子没有可用或不宜使用的共同酶切位点时，可分别用一组同尾酶切割，借助相同的黏性末端实现连接，还可根据需要灵活组合不同来源的片段^[7]。

合成生物学中的 BioBrick 标准把 XbaⅠ 与 SpeⅠ 这对同尾酶用作拼接接口，两个片段连接后原来的酶切位点同时消失，连接处形成一段疤痕序列，标准 BioBrick 疤痕的序列为 TACTAGAG^[5][9]。这种连接不可逆的特性使构建体稳定，并可支持多轮连接以完成多片段组装^[5]。

为了在拼接时保留蛋白质的阅读框，Anderson 等人改用 BglⅡ 与 BamHⅠ 这对同尾酶，连接处的痕迹序列可编码对多数融合蛋白影响不大的甘氨酸-丝氨酸连接肽，该方案被称为 BglBrick 法^[5]。

同尾酶技术也被用于 TALEN 单元组装法中反复进行酶切与连接以构建质粒、建立多基因植物转化载体系统，以及构建疟疾多价表位重组 DNA 疫苗，使不同 DNA 片段可以按需要排列组合^[7]。

局限

同尾酶以产生黏性末端为前提，切割后只能得到平末端的限制酶没有单链突出部分，因而不存在与之对应的同尾酶^[4]。

同尾酶切出的片段连接后形成的杂种位点通常不再被原来任何一种酶识别，连接产物无法用原酶切回^[2]。这一点在构建稳定重组分子时是有利的，但也意味着后续操作不能沿用同样的酶，需要改用能识别杂种位点的其他酶或另设策略。

BioBrick 连接留下的疤痕序列可能含有终止密码子，也可能造成移码，因此不适合需要连续阅读框的融合蛋白组装，这也是后来出现 BglBrick 等改进方案的原因之一^[5]。

由于同尾酶产生的末端彼此相同，片段之间存在多种连接可能，实际反应还需要优化 DNA 浓度比例以避免寡聚物形成，并选用保真度较高的连接酶来提高重组效率^[7]。

参见

• 限制性内切酶 —— 同尾酶是其中按切割末端归并的一类酶。

• 同裂酶 —— 以识别相同序列为特征，与同尾酶构成分类上的对照。

• 黏性末端 —— 同尾酶产生的、能够互补配对的单链突出末端。

• DNA连接酶 —— 把同尾酶切出的互补末端封接成完整 DNA 链。

• BioBrick —— 以 XbaⅠ 与 SpeⅠ 这对同尾酶为基础的标准化 DNA 组装方法。

• 基因工程 —— 同尾酶作为工具酶发挥作用的领域。