Restrictie-enzym, ook wel restrictie-endonuclease genoemd, een eiwit dat door bacteriën wordt geproduceerd en dat DNA op specifieke plaatsen langs het molecuul splitst. In de bacteriële cel splitsen restrictie-enzymen vreemd DNA en elimineren zo infecterende organismen. Restrictie-enzymen kunnen uit bacteriële cellen worden geïsoleerd en in het laboratorium worden gebruikt om DNA-fragmenten, zoals genen, te manipuleren; daarom zijn het onmisbare instrumenten van de recombinant-DNA-technologie (genetische manipulatie).
Een bacterie gebruikt een restrictie-enzym om zich te verdedigen tegen bacteriële virussen die bacteriofagen of fagen worden genoemd. Wanneer een faag een bacterie infecteert, voegt deze zijn DNA in de bacteriële cel in, zodat deze kan worden gerepliceerd. Het restrictie-enzym voorkomt replicatie van het faag-DNA door het in vele stukken te snijden. Restrictie-enzymen werden genoemd vanwege hun vermogen om het aantal bacteriofaagstammen dat een bacterie kan infecteren, te beperken of te beperken.
Elk restrictie-enzym herkent een korte, specifieke sequentie van nucleotidebasen (de vier chemische basiseenheden van het lineaire dubbelstrengige DNA-molecuul - adenine, cytosine, thymine en guanine). Deze regio's worden herkenningssequenties of herkenningsplaatsen genoemd en worden willekeurig verdeeld over het DNA. Verschillende bacteriesoorten maken restrictie-enzymen die verschillende nucleotidesequenties herkennen.
Wanneer een restrictie-endonuclease een sequentie herkent, knipt het door het DNA-molecuul door de hydrolyse (splitsing van een chemische binding door toevoeging van een watermolecuul) van de binding tussen aangrenzende nucleotiden te katalyseren. Bacteriën voorkomen dat hun eigen DNA op deze manier wordt afgebroken door hun herkenningssequenties te verhullen. Enzymen genaamd methylasen toe methylgroepen (CH 3) adenine of cytosine basen in de herkenningssequentie, die aldus gemodificeerd en beschermd tegen het endonuclease. Het restrictie-enzym en het bijbehorende methylase vormen het restrictie-modificatiesysteem van een bacteriesoort.
Traditioneel worden vier soorten restrictie-enzymen herkend, aangeduid als I, II, III en IV, die voornamelijk verschillen in structuur, splitsingsplaats, specificiteit en cofactoren. Enzymen van type I en III zijn vergelijkbaar doordat zowel restrictie- als methylase-activiteiten worden uitgevoerd door één groot enzymcomplex, in tegenstelling tot het type II-systeem, waarin het restrictie-enzym onafhankelijk is van zijn methylase. Type II-restrictie-enzymen verschillen ook van type I en III doordat ze DNA splitsen op specifieke plaatsen binnen de herkenningsplaats; de andere splitsen willekeurig DNA, soms honderden basen uit de herkenningssequentie. Er zijn enkele duizenden type II-restrictie-enzymen geïdentificeerd uit verschillende bacteriesoorten. Deze enzymen herkennen een paar honderd verschillende sequenties, in het algemeen vier tot acht basen lang. Type IV-restrictie-enzymen splitsen alleen gemethyleerd DNA en vertonen een zwakke sequentiespecificiteit.
Restrictie-enzymen werden eind jaren zestig en begin jaren zeventig ontdekt en gekarakteriseerd door moleculair biologen Werner Arber, Hamilton O. Smith en Daniel Nathans. Het vermogen van de enzymen om DNA op precieze locaties te knippen, stelde onderzoekers in staat genbevattende fragmenten te isoleren en ze opnieuw te combineren met andere DNA-moleculen, dwz om genen te klonen. De namen van restrictie-enzymen zijn afgeleid van het geslacht, de soort en de stamaanduiding van de bacteriën die ze produceren; het enzym EcoRI wordt bijvoorbeeld geproduceerd door Escherichia coli stam RY13. Aangenomen wordt dat restrictie-enzymen afkomstig zijn van een gemeenschappelijk voorouderlijk eiwit en zijn geëvolueerd om specifieke sequenties te herkennen door middel van processen zoals genetische recombinatie en genamplificatie.
