A nomenclature is described for restriction endonucleases, DNA methyltransferases, homing endonucleases and related genes and gene products. It provides explicit categories for the many different Type II enzymes now identified and provides a system for naming the putative genes found by sequence analysis of microbial genomes.

Abstract In the early 1950’s, ‘host-controlled variation in bacterial viruses’ was reported as a non-hereditary phenomenon: one cycle of viral growth on certain bacterial hosts affected the ability of progeny virus to grow on other hosts by either restricting or enlarging their host range. Unlike mutation, this change was reversible, and one cycle of growth in the previous host returned the virus to its original form. These simple observations heralded the discovery of the endonuclease and methyltransferase activities of what are now termed Type I, II, III and IV DNA restriction-modification systems. The Type II restriction enzymes (e.g. EcoRI) gave rise to recombinant DNA technology that has transformed molecular biology and medicine. This review traces the discovery of restriction enzymes and their continuing impact on molecular biology and medicine.

Bacteria have evolved a broad range of systems that provide defence against their viral predators, bacteriophages. Bacteriophage Exclusion (BREX) systems recognize and methylate 6 bp non-palindromic motifs within the host genome, and prevent replication of non-methylated phage DNA that encodes these same motifs. How BREX recognizes cognate motifs has not been fully understood. We have characterised BREX from pathogenic Salmonella and generated the first X-ray crystallographic structures of the conserved BREX protein, PglX. The PglX N-terminal domain encodes the methyltransferase, whereas the C-terminal domain is for motif recognition. We also present the structure of PglX bound to the phage-derived DNA mimic, Ocr, an inhibitor of BREX activity. Our analyses propose modes for DNA-binding by PglX and indicate that larger BREX complexes are required for methyltransferase activity and defence. Through rational engineering of PglX, we broadened both the range of phages targeted, and the host motif sequences that are methylated by BREX. Our data demonstrate that PglX is the sole specificity factor for BREX activity, providing motif recognition for both phage defence and host methylation.

DNA manipulation is an essential tool in molecular microbiology research that is dependent on the ability of bacteria to take up and preserve foreign DNA by horizontal gene transfer. This process can be significantly impaired by the activity of bacterial restriction modification systems; bacterial operons comprising paired enzymatic activities that protectively methylate host DNA, while cleaving incoming unmodified foreign DNA. Ocr is a phage-encoded protein that inhibits Type I restriction modification systems, the addition of which significantly improves bacterial transformation efficiency. We recently established an improved and highly efficient transformation protocol for the important human pathogen group A Streptococcus using commercially available recombinant Ocr protein, manufacture of which has since been discontinued. In order to ensure the continued availability of Ocr protein within the research community, we have generated tools and methods for in-house Ocr production and validated the activity of the purified recombinant protein.

Bacteriophage T7 infects Escherichia coli and evades the host defence system. The Ocr protein of T7 was shown to exist as a dimer mimicking DNA and to bind to host restriction enzymes, thus preventing the degradation of the viral genome by the host. Here we report that Ocr can also inhibit host transcription by directly binding to bacterial RNA polymerase (RNAP) and competing with the recruitment of RNAP by sigma factors. Using cryo electron microscopy, we determined the structures of Ocr bound to RNAP. The structures show that an Ocr dimer binds to RNAP in the cleft, where key regions of sigma bind and where DNA resides during transcription synthesis, thus providing a structural basis for the transcription inhibition. Our results reveal the versatility of Ocr in interfering with host systems and suggest possible strategies that could be exploited in adopting DNA mimicry as a basis for forming novel antibiotics.