Рестрикцией ДНК (латинское restrictio – ограничение) называется процесс ферментативного разделения цепочек дезоксирибонуклеиновой кислоты на отдельные фрагменты, представляющие собой последовательность нуклеотидов различного размера.
Этот процесс является частью одного из важнейших внутриклеточных защитных механизмов от проникновения и встраивания в геном чужеродного генетического материала. Он контролируется сложной системой клеточной регуляции. Другой стороной применения этого явления является синтетическая генная инженерия, которую нельзя было бы вообразить без возможности разделять ДНК-материал на фрагменты.
История изучения
Механизмы рестрикции внутри системы защиты клетки неразрывно связаны с механизмом модификации, и начиная с середины 
20 века многие учёные задавались целью изучить эти явления. Впервые фермент-рестриктаза, способный неспецифически делить последовательность ДНК, был обнаружен в бактерии E.coli (кишечной палочке) учёными Юанем и Мезельсоном (1968г). Было выяснено, что бактерии способны легко отличать «чужеродный» генетический материал (независимо от пути его проникновения в клетку) от собственного, в результате чего привнесённая ДНК последовательно расщеплялась на мелкие фрагменты. Распознавание происходит с помощью специальных «меток» — модифицированных (метилированных) участков собственной ДНК, во «вражеском» же геноме такие участки отсутствуют.
В 1970г. исследователи Смит и Вилькокс выделили из гемофильной палочки первую рестриктазу, которая могла расщепить только специфические последовательности ДНК.
В последующем было открыто более 500 различных рестрикционных эндонуклеаз, которые распознают, прикрепляются, расщепляют разные последовательности дезоксирибонуклеиновой кислоты.
Механизм действия
Специфичность
Все эндогенные рестриктазы высокоспецифичны. Они четко распознают определенную цепочку нуклеотидов, но могут «разрезать» её по-разному. Как правило, узнается короткая последовательность из 4 — 6 оснований.
Особенностью процесса рестрикции-модификации является защита собственной ДНК от сайт-специфичной эндодезоксирибонуклеазы (рестриктазы) с помощью метилирования. Этот процесс осуществляется ферментами метилазами, также действующими избирательно к азотистым основаниям, расположенным в определенном порядке, и добавляющими к ним метильные группы, делая сайт молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты устойчивым к рестрикции.
Группы рестриктаз
Выделяют три особенных класса рестриктаз. Они отличаются по нескольким признакам: строению, точкам применения.
Рестриктазы первого класса разрезают молекулы генетического материала в произвольных точках, а ферменты второго и третьего классов — в строго определенных. При этом эндорестриктазы второго класса действуют в пределах одного сайта, а третьего — рядом с сайтом узнавания.
Рестриктазы второго класса имеют отдельную двухбелковую структуру, отличаясь от первого и третьего классов со сложным строением и АТФ-зависимостью, что позволяет использовать их для генной инженерии. Фермент второго класса состоит из двух действующих частиц: рестриктирующей эндонуклеазы, модифицирующей метилазы, которые действуют только вместе с ионами магния.
Благодаря достижениям молекулярной биохимии, ученые смогли выделить более пятисот специфичных рестриктаз второго класса. Но как выяснилось по ходу исследований, некоторые из них действуют на одинаковые последовательности нуклеотидов. Такие ферменты получили название — изошизомеры. Истинные изошизомеры делят сайт ДНК по одной точке, а гетерошизомеры, выбирая одинаковый сайт, осуществляют рестрикцию в разных его местах.
Как уже было указано, рестриктазы чаще выделяют последовательность из 4 или 6 азотистых оснований, а потому, в зависимости от количества, делятся на мелко- и крупнощемящие.
Механизм действия
Эндогенная рестриктаза распознает определенную последовательность ДНК — сайт узнавания. В большинстве случаев он является палиндромом, то есть порядок расположения нуклеотидов одинаков при чтении справа налево и слева направо. Например, 3′-AGATCT-5′ или 5′-TCTAGA-3′.
Фермент прочно связывается с узнанным рядом азотистых оснований, а затем при движении цепочек молекулы «находит» сайт разрезания.
Рестрикция возможна с образованием тупых (blunt) и липких (sticky) концов. Тупые концы образуются, если рестриктаза делит цепочки ДНК друг напротив друга. А липкие концы характеризуются образованием коротких и длинных хвостов (3′-, 5′-концов) из-за несимметричного разрезания палиндромов. Липкие концы самокомплементарны, то есть способны восстановить структуру при соединении.
Необходимость изучения механизмов рестрикции
Изучение процессов рестрикции существенно упростило исследовательскую деятельность, так как с ее помощью стало возможным разделение единицы генетического материала на небольшие части.
С помощью физических методов (электрофорез с агарозой) фрагменты можно разделить по размеру, а затем изучить каждый в отдельности, построив рестрикционные карты.
Практическое применение в медицине и генетике
Если несколько упростить и схематично отобразить алгоритм действий генной инженерии, то мы получим следующее: сначала 
необходимо выделить исходную информацию из исследуемого материала, затем разделить её на части, последовательности, потом объединить, синтезировать различные фрагменты воедино для возникновения новой структуры генетической информации, обладающей заданными характеристиками, и в последующем ввести новый материал другому организму.
Расщепление ДНК (рестрикция) является основой генетической инженерии и находит своё применение во множестве ежедневно проводимых исследований. На основе нуклеотидных последовательностей, полученных при разделении цепочек различных молекул, создаются искусственные рекомбинантные ДНК, которые находят широкое применение во многих отраслях человеческой жизни. Значительное количество научных работ посвящены исследованию возможности лечения таких непобедимых на сегодня заболеваний как ВИЧ-инфекция, опухоли и пр. Например, путём присоединения к генам, кодирующим белки-рецепторы заражённых вирусом клеток, другого гена, который способствует синтезу растительного яда, нарушается процесс биосинтеза белка в цитоплазме, что ведет к их гибели. В перспективе могут быть найдены подходы к лечению множества наследственных врожденных и приобретённых заболеваний, причем на самом раннем этапе — на молекулярном, субмолекулярном уровнях.
Известны исследования в области фармацевтики, улучшающие характеристики производимых лекарств и способы их доставки к клеткам, тканям организма.
Сделала крупные шаги вперед трансплантология, позволяя выращивать донорские органы в различных животных или даже просто в пробирках с питательными средами, при этом исключая энзимную несовместимость благодаря генной модификации.
Перспективы развития
Генетическая инженерия предоставляет огромные возможности в вопросах улучшения существующих организмов или создания новых, способных существенно поднять продуктивность биотехнологических процессов, приумножить их хозяйственную ценность для человека.
Генетически модифицированные продукты прочно обосновались в нашей жизни, и, несмотря на некоторые скептические мнения экспертов, большинство учёных склоняется к выводу, что за ГМО стоит будущее в вопросах продуктового обеспечения человечества.
В последующем ученым могут открыться новые горизонты для исследований метаболизма, замедления процессов старения, разработки и использования новейших бионанотехнологий применительно к человеческому организму.
Интересный факт о рестрикции
Ученый Ренди Люис (к слову, большой поклонник Человека-паука) провел рестрикцию генома паука, выделив фрагменты, отвечающие за производство каркасной паутины (самой прочной), а затем встроил их в гены выработки молока у коз. Результатом стало появление козлят, вырабатывающих молоко и паутину.