Ngoài các hệ thống sửa sai, tế bào còn có hệ thống bảo vệ DNA. Các vi khuẩn có hệ thống miễn nhiễm hiệu quả DNA lạ, đó là: hệ thống cắt hạn chế-biến đổi (restriction-modification system) hiện diện trong nhiều loài vi khuẩn, trong đó DNA được biến đổi bởi các enzyme đặc hiệu.
Sự biến đổi xảy ra nhằm mục đích bảo vệ DNA chống lại sự phân hủy enzyme (cắt hạn chế) bởi các endonuclease của chính chúng. Sự biến đổi bao gồm một kiểu đặc trưng của phản ứng methyl hóa các gốc nucleotide trong DNA. Bằng cách dùng S-adenosylmethionine như là một chất cho, các enzyme methyl hóa (methylase) sẽ hoạt động trên DNA sợi đôi (dsDNA). Các vị trí mà ở đó có sự biến đổi cũng được nhận biết bởi các enzyme hạn chế (restriction enzyme, RE) tương ứng, tuy nhiên các enzyme hạn chế không thể cắt DNA trong các vị trí đã được biến đổi này ở một hoặc cả hai sợi DNA.
Các vi sinh vật prokaryote lẫn eukaryote đều có các enzyme methyl hóa gắn nhóm CH3 ở những điểm nhất định trên phân tử DNA. Các enzyme này có tính đặc hiệu cao chuyên hóa cho từng dòng vi khuẩn, vì thế DNA của mỗi dòng vi khuẩn chỉ được methyl hóa ở những vị trí đặc biệt nhất định. Nhờ đó, mỗi vi khuẩn dễ dàng phân biệt DNA của bản thân chúng với DNA ngoại lai (foreign DNA) (ví dụ: DNA của bacteriophage) xâm nhập vào trong tế bào. Các enzyme cắt hạn chế là một loại endonuclease của mỗi dòng vi khuẩn (xem chương 9), không cắt DNA của chúng vì đã được methyl hóa ở những điểm cần thiết mà chỉ cắt DNA ngoại lai (của bacteriophage) do chúng không được methyl hóa ở những vị trí nhất định.
Các cơ chế chủ yếu biến đổi của DNA của nó một cách đặc hiệu và cắt hạn chế (restriction) các phân tử DNA không được đánh dấu. Hệ thống R-M ngăn chặn DNA ngoại lai không có hoạt động chức năng nhưng có thể thực hiện tái tổ hợp.
Hệ thống R-M có hai tính chất căn bản:
- Hoạt tính restriction (cắt hạn chế) đặc hiệu chống sự xâm nhập của DNA ngoại lai. - Hoạt tính bảo vệ DNA của bản thân nó.
Hệ thống R-M lần đầu tiên được phát hiện khi nghiên cứu hiện tượng nhiễm bacteriophage vào E. coli. Sự biến đổi thường là methyl hóa nhóm 6-NH2 của adenine ở những trình tự nucleotide đặc hiệu trong hệ thống kiểu II, C5 của cytosine được methyl hóa. Cắt hạn chế được thực hiện do các hệ thống endonuclease. Chúng nhận biết các điểm đặc
hiệu ít nhất ở một sợi DNA không bị biến đổi. Endonuclease cắt đứt sợi ở nhiều điểm nhận biết và sau đó các đoạn ngắn được cắt bằng nucleotide khác.
Phần lớn các DNA bị biến đổi có các đặc tính di truyền không ổn định. Sự methyl hóa thường mất qua tái bản trong tế bào chủ.
Các nghiên cứu cho thấy ở chủng E. coli B có 3 gen liên kết chặt với nhau mã hóa cho 3 sản phẩm khuếch tán: các polypeptide phục vụ cho sự cắt hạn chế, cho sự biến đổi và tạo sự đặc hiệu của điểm nhận biết.
DNA sợi kép nhạy cảm hơn với sự biến đổi và cắt hạn chế. Các bacteriophage sợi đơn như M13 và f X 174 ít bị tác động hơn. Sự biến đổi của một sợi DNA đủ để miễn nhiễm DNA lạ. Do vậy, DNA tái bản bán bảo tồn được bảo vệ bởi methyl hóa sợi khuôn.
1. Các methylase của R-M
Methylase là enzyme có hoạt tính xúc tác gắn một nhóm methyl vào một phân tử, ví dụ: DNA methyltransferase có chức năng methyl hóa các gốc C trong DNA.
Enzyme methylase tạo ra một cặp adenine methyl hóa (hoặc cytosine) có vị trí đối xứng chéo nhau. Các methylase có liên quan chặt chẽ với các kiểu cắt hạn chế.
- Kiểu I. Các RE có thể tiến hành cả hai sự biến đổi và cắt hạn chế. Một RE kiểu I bao gồm ba tiểu đơn vị khác nhau (R, M và S) chịu trách nhiệm tương ứng cho việc cắt hạn chế, biến đổi và nhận biết trình tự. Ví dụ: EcoB và EcoK (từ
E. coli chủng B và K), các trình tự nhận biết của hai enzyme này là TGA(N)8TGCT đối với EcoB và AAC(N)6GTGC đối với EcoK (trong đó N là một trong bốn loại nucleotide). Nếu vị trí nhận biết không được methyl hóa trong một sợi, thì enzyme RE sẽ methyl hóa sợi đó, nhưng nếu cả hai sợi đều không được methyl hóa thì enzyme RE sẽ cắt DNA (cần có ATP). Phản ứng cắt xuất hiện ở một vị trí không đặc hiệu >1000 bp tính từ trình tự nhận biết; rõ ràng là enzyme duy trì liên kết ở vị trí nhận biết của nó, và DNA được di chuyển qua một vị trí thứ hai trên enzyme hướng tới một vị trí cắt hạn chế.