polimeraza DNA
| Sterowana DNA polimeraza DNA | |||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
 Struktura 3D motywów helisa-obrót-helisa wiążących DNA w ludzkiej polimerazie DNA beta (na podstawie pliku PDB 7ICG )
| |||||||||
| Identyfikatory | |||||||||
| nr WE | 2.7.7.7 | ||||||||
| nr CAS | 9012-90-2 | ||||||||
| Bazy danych | |||||||||
| IntEnz | Widok IntEnz | ||||||||
| BRENDA | Wpis BRENDY | ||||||||
| ExPASy | Widok NiceZyme | ||||||||
| KEGG | Wpis KEGG | ||||||||
| MetaCyc | szlak metaboliczny | ||||||||
| PRYM | profil | ||||||||
| Struktury PDB | RCSB PDB PDBe PDB suma | ||||||||
| Ontologia genów | AmiGO / QuickGO | ||||||||
| |||||||||
Polimeraza DNA należy do rodziny enzymów , które katalizują syntezę cząsteczek DNA z trójfosforanów nukleozydów , molekularnych prekursorów DNA. Enzymy te są niezbędne do replikacji DNA i zwykle działają w grupach, tworząc dwa identyczne dupleksy DNA z jednego oryginalnego dupleksu DNA. Podczas tego procesu polimeraza DNA „odczytuje” istniejące nici DNA, tworząc dwie nowe nici, które pasują do istniejących. Enzymy te katalizują reakcję chemiczną
- deoksynukleozydu + DNA n ⇌ pirofosforan + DNA n+1 .
Polimeraza DNA dodaje nukleotydy do trzech głównych (3') końców nici DNA, po jednym nukleotydzie na raz. Za każdym razem komórka się dzieli , polimerazy DNA są wymagane do zduplikowania DNA komórki, tak aby kopia oryginalnej cząsteczki DNA mogła zostać przekazana każdej komórce potomnej. W ten sposób informacja genetyczna jest przekazywana z pokolenia na pokolenie.
Zanim replikacja może mieć miejsce, enzym zwany helikazą rozwija cząsteczkę DNA z jej ciasno utkanej formy, w procesie rozrywania wiązań wodorowych między zasadami nukleotydowymi . To otwiera lub „rozpina” dwuniciowy DNA, dając dwie pojedyncze nici DNA, które można wykorzystać jako matryce do replikacji w powyższej reakcji.
Historia
W 1956 roku Arthur Kornberg i współpracownicy odkryli polimerazę DNA I (Pol I) w Escherichia coli . Opisali proces replikacji DNA, w którym polimeraza DNA kopiuje sekwencję zasad matrycowej nici DNA. Kornberg otrzymał później Nagrodę Nobla w dziedzinie fizjologii lub medycyny w 1959 roku. Polimeraza DNA II została odkryta przez Thomasa Kornberga (syna Arthura Kornberga ) i Malcolma E. Geftera w 1970 roku, podczas dalszego wyjaśniania roli Pol I w replikacji DNA E. coli . W E. coli znaleziono jeszcze trzy polimerazy DNA , w tym polimerazę DNA III (odkrytą w latach 70.) oraz polimerazę DNA IV i V (odkrytą w 1999 r.).
Funkcjonować
Główną funkcją polimerazy DNA jest synteza DNA z dezoksyrybonukleotydów , budulców DNA. Kopie DNA są tworzone przez parowanie nukleotydów z zasadami obecnymi na każdej nici oryginalnej cząsteczki DNA. To parowanie zawsze występuje w określonych kombinacjach, z cytozyną wraz z guaniną i tyminą wraz z adeniną , tworząc odpowiednio dwie oddzielne pary. Z kolei polimerazy RNA syntetyzują RNA z rybonukleotydów z RNA lub DNA.
Podczas syntezy nowego DNA polimeraza DNA może dodawać wolne nukleotydy tylko do końca 3' nowo tworzącej się nici. Powoduje to wydłużenie nowo powstającej nici w kierunku 5'-3'.
Należy zauważyć, że kierunkowość nowo tworzącej się nici (nici potomnej) jest przeciwna do kierunku, w którym polimeraza DNA porusza się wzdłuż nici matrycy. Ponieważ polimeraza DNA wymaga wolnej grupy 3' OH do zainicjowania syntezy, może syntetyzować tylko w jednym kierunku, wydłużając koniec 3' istniejącego wcześniej łańcucha nukleotydowego. W związku z tym polimeraza DNA porusza się wzdłuż nici matrycy w kierunku 3'–5', a nić potomna jest tworzona w kierunku 5'–3'. Ta różnica umożliwia, aby powstały dwuniciowy DNA składał się z dwóch nici DNA, które są względem siebie antyrównoległe .
Funkcja polimerazy DNA nie jest całkiem doskonała, a enzym popełnia około jednego błędu na każdy miliard skopiowanych par zasad. Korekcja błędów jest właściwością niektórych, ale nie wszystkich polimeraz DNA. Ten proces koryguje błędy w nowo zsyntetyzowanym DNA. Gdy zostanie rozpoznana nieprawidłowa para zasad, polimeraza DNA cofa się o jedną parę zasad DNA. egzonukleazy 3' – 5' enzymu umożliwia wycięcie nieprawidłowej pary zasad (ta aktywność jest znana jako korekta ). Po wycięciu zasady polimeraza może ponownie wstawić właściwą zasadę i replikacja może być kontynuowana do przodu. Zachowuje to integralność oryginalnej nici DNA, która jest przekazywana komórkom potomnym.
Wierność jest bardzo ważna w replikacji DNA. Niedopasowania w parowaniu zasad DNA mogą potencjalnie skutkować dysfunkcjami białek i mogą prowadzić do raka. Wiele polimeraz DNA zawiera domenę egzonukleazy, która wykrywa niedopasowania par zasad, a ponadto usuwa nieprawidłowy nukleotyd w celu zastąpienia go prawidłowym. Kształt i interakcje uwzględniające parę zasad Watsona i Cricka są tym, co przede wszystkim przyczynia się do wykrycia lub błędu. Wiązania wodorowe odgrywają kluczową rolę w wiązaniu i interakcji par zasad. Mówi się, że utrata interakcji, która występuje przy niedopasowaniu, powoduje przesunięcie równowagi wiązania matrycy-startera z polimerazy do domeny egzonukleazy. Ponadto włączenie niewłaściwego nukleotydu powoduje opóźnienie polimeryzacji DNA. To opóźnienie daje czas na przejście DNA z miejsca polimerazy do miejsca egzonukleazy. Różne zmiany konformacyjne i utrata interakcji występują przy różnych niedopasowaniach. W niedopasowaniu puryna:pirymidyna następuje przemieszczenie pirymidyny w kierunku rowka głównego, a puryny w kierunku rowka mniejszego. W stosunku do kształtu kieszeni wiążącej polimerazy DNA, dochodzi do zderzeń sterycznych między puryną a resztami w mniejszym rowku, a ważne van der Waalsa i elektrostatyczne są tracone przez pirymidynę. Niedopasowania pirymidyna:pirymidyna i puryna:puryna powodują mniej zauważalne zmiany, ponieważ zasady są przesunięte w kierunku głównego rowka i występuje mniej zawady sterycznej. Jednak chociaż różne niedopasowania skutkują różnymi właściwościami sterycznymi, polimeraza DNA nadal jest w stanie wykryć je i rozróżnić tak równomiernie i zachować wierność replikacji DNA. Polimeryzacja DNA ma również kluczowe znaczenie dla wielu procesów mutagenezy i jest szeroko stosowana w biotechnologii.
Struktura
Znane polimerazy DNA mają wysoce konserwatywną strukturę, co oznacza, że ich ogólne podjednostki katalityczne różnią się bardzo nieznacznie w zależności od gatunku, niezależnie od struktury ich domen. Konserwatywne struktury zwykle wskazują na ważne, niezastąpione funkcje komórki, których utrzymanie zapewnia korzyści ewolucyjne. Kształt można opisać jako przypominający prawą rękę z domenami kciuka, palca i dłoni. Wydaje się, że domena dłoni działa w katalizowaniu przenoszenia grup fosforylowych w reakcji przenoszenia fosforylu. DNA jest związane z dłonią, gdy enzym jest aktywny. Uważa się, że ta reakcja jest katalizowana przez mechanizm dwóch jonów metali. Domena palca służy do wiązania trifosforanów nukleozydów z podstawą matrycy. Domena kciuka odgrywa potencjalną rolę w procesywności, translokacji i pozycjonowaniu DNA.
Procesywność
Szybka kataliza polimerazy DNA wynika z jej procesowej natury. Procesywność jest cechą charakterystyczną enzymów działających na podłożach polimerowych. W przypadku polimerazy DNA stopień procesywności odnosi się do średniej liczby nukleotydów dodawanych za każdym razem, gdy enzym wiąże matrycę. Przeciętna polimeraza DNA potrzebuje około jednej sekundy na zlokalizowanie i związanie połączenia starter/matryca. Po związaniu nieprocesowa polimeraza DNA dodaje nukleotydy z szybkością jednego nukleotydu na sekundę. Jednak procesywne polimerazy DNA dodają wiele nukleotydów na sekundę, drastycznie zwiększając szybkość syntezy DNA. Stopień procesywności jest wprost proporcjonalny do szybkości syntezy DNA. Szybkość syntezy DNA w żywej komórce została najpierw określona jako szybkość wydłużania DNA faga T4 w E. coli zakażonej fagiem . W okresie wykładniczego wzrostu DNA w temperaturze 37 ° C szybkość wynosiła 749 nukleotydów na sekundę.
Zdolność polimerazy DNA do przesuwania się wzdłuż matrycy DNA umożliwia zwiększoną procesywność. Następuje dramatyczny wzrost przetwarzalności w widełkach replikacyjnych . Ten wzrost jest ułatwiony przez asocjację polimerazy DNA z białkami znanymi jako przesuwny zacisk DNA . Klamry to wiele podjednostek białkowych połączonych w kształt pierścienia. Wykorzystując hydrolizę ATP, klasa białek znana jako białka ładujące z przesuwanymi klamrami otwiera strukturę pierścieniową przesuwanych klamer DNA, umożliwiając wiązanie i uwalnianie z nici DNA. Interakcja białko-białko z klamrą zapobiega dyfuzji polimerazy DNA z matrycy DNA, zapewniając w ten sposób, że enzym wiąże to samo połączenie starter/matryca i kontynuuje replikację. Polimeraza DNA zmienia konformację, zwiększając powinowactwo do klamry, gdy jest z nią związana, i zmniejszając powinowactwo, gdy kończy replikację odcinka DNA, aby umożliwić uwolnienie z klamry.
Zróżnicowanie między gatunkami
| Rodzina polimeraz DNA Para | |||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
 c:o6-metylo-guanina w pozycji pary zasad polimerazy-2
| |||||||||
| Identyfikatory | |||||||||
| Symbol | DNA_pol_A | ||||||||
| Pfam | PF00476 | ||||||||
| InterPro | IPR001098 | ||||||||
| MĄDRY | - | ||||||||
| PROZYTA | PDOC00412 | ||||||||
| SCOP2 | 1 dpi / ZAKRES / SUPFAM | ||||||||
| |||||||||
| polimerazy DNA z rodziny B | |||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
 rb69 gp43 w kompleksie z DNA zawierającym glikol tyminowy
| |||||||||
| Identyfikatory | |||||||||
| Symbol | DNA_pol_B | ||||||||
| Pfam | PF00136 | ||||||||
| Klan Pfam | CL0194 | ||||||||
| InterPro | IPR006134 | ||||||||
| PROZYTA | PDOC00107 | ||||||||
| SCOP2 | 1noy / SCOPe / SUPFAM | ||||||||
| |||||||||
| Polimeraza DNA typu B, organellarna i wirusowa | |||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
 polimeraza dna phi29, rombowa postać krystaliczna, kompleks ssdna
| |||||||||
| Identyfikatory | |||||||||
| Symbol | DNA_pol_B_2 | ||||||||
| Pfam | PF03175 | ||||||||
| Klan Pfam | CL0194 | ||||||||
| InterPro | IPR004868 | ||||||||
| |||||||||
Na podstawie homologii sekwencji polimerazy DNA można dalej podzielić na siedem różnych rodzin: A, B, C, D, X, Y i RT.
Niektóre wirusy kodują również specjalne polimerazy DNA, takie jak polimeraza DNA wirusa zapalenia wątroby typu B. Mogą one selektywnie replikować wirusowe DNA poprzez różne mechanizmy. Retrowirusy kodują niezwykłą polimerazę DNA zwaną odwrotną transkryptazą , która jest polimerazą DNA zależną od RNA (RdDp). Polimeryzuje DNA z matrycy RNA .
| Rodzina | Rodzaje polimerazy DNA | taksony | Przykłady | Funkcja |
|---|---|---|---|---|
| A | Polimerazy replikacyjne i naprawcze | Eukariotyczny i Prokariotyczny | Polimeraza DNA T7, Pol I, Pol γ, θ i ν | Dwie domeny egzonukleazy (3'-5' i 5'-3') |
| B | Polimerazy replikacyjne i naprawcze | Eukariotyczny i Prokariotyczny | Pol II, Pol B, Pol ζ, Pol α, δ i ε | egzonukleaza 3'-5 (korekta); wirusowe używają podkładu białkowego |
| C | Replikacyjne polimerazy | Prokariotyczny | Pol III | 3'-5 egzonukleaza (korekta) |
| D | Replikacyjne polimerazy | euryarchaeota | PolD (heterodimer DP1/DP2) | Brak cechy „ręki”, podobna do polimerazy RNA z podwójnym cylindrem ; 3'-5 egzonukleaza (korekta) |
| X | Polimerazy replikacyjne i naprawcze | eukariotyczny | Pol β, Pol σ, Pol λ, Pol μ i terminalna transferaza deoksynukleotydowa | szablon opcjonalny; 5' fosfataza (tylko Pol β); słaba funkcja „ręki”. |
| Y | Polimerazy replikacyjne i naprawcze | Eukariotyczny i Prokariotyczny | Pol ι, Pol κ, Pol η, Pol IV i Pol V | Synteza translecyjna |
| RT | Polimerazy replikacyjne i naprawcze | Wirusy, retrowirusy i eukarioty | Telomeraza , wirus zapalenia wątroby typu B | Zależny od RNA |
Polimeraza prokariotyczna
Polimerazy prokariotyczne występują w dwóch postaciach: polimerazy rdzeniowej i holoenzymu. Polimeraza rdzeniowa syntetyzuje DNA z matrycy DNA, ale nie może samodzielnie ani dokładnie zainicjować syntezy. Holoenzym dokładnie inicjuje syntezę.
Pol I
Polimerazy z rodziny prokariotycznej A obejmują enzym polimerazę DNA I (Pol I), który jest kodowany przez gen polA i jest wszechobecny wśród prokariotów . Ta polimeraza naprawcza bierze udział w naprawie przez wycięcie z aktywnością egzonukleazy zarówno 3'–5', jak i 5'–3' oraz przetwarzaniu fragmentów Okazaki generowanych podczas syntezy nici opóźnionej. Pol I jest najbardziej rozpowszechnioną polimerazą, odpowiadającą za >95% aktywności polimerazy w E. coli ; jednak znaleziono komórki pozbawione Pol I, co sugeruje, że aktywność Pol I można zastąpić pozostałymi czterema polimerazami. Pol I dodaje ~ 15-20 nukleotydów na sekundę, wykazując w ten sposób słabą procesywność. Zamiast tego Pol I zaczyna dodawać nukleotydy na połączeniu starter RNA:matryca, znanym jako początek replikacji (ori). Około 400 pz poniżej początku holoenzym Pol III jest składany i przejmuje replikację z wysoce procesową szybkością i charakterem.
Polimeraza Taq jest termostabilnym enzymem z tej rodziny, który nie ma zdolności do korekty.
Pol II
Polimeraza DNA II jest polimerazą z rodziny B, kodowaną przez gen polB. Pol II ma aktywność egzonukleazy 3'–5' i uczestniczy w naprawie DNA , wznowieniu replikacji w celu ominięcia uszkodzeń, a jej obecność w komórkach może skakać z ~ 30-50 kopii na komórkę do ~ 200-300 podczas indukcji SOS. Uważa się również, że Pol II stanowi kopię zapasową Pol III, ponieważ może wchodzić w interakcje z białkami holoenzymu i przyjmować wysoki poziom procesywności. Uważa się, że główną rolą Pol II jest zdolność do kierowania aktywnością polimerazy na widełkach replikacyjnych i pomoc w zablokowaniu Pol III w omijaniu niedopasowań terminali.
Polimeraza DNA Pfu jest termostabilnym enzymem z tej rodziny występującym w hipertermofilnym archeonie Pyrococcus furiosus . Klasyfikacja szczegółowa dzieli rodzinę B u archeonów na B1, B2, B3, w której B2 to grupa pseudoenzymów . Pfu należy do rodziny B3. Inne PolB znalezione w archeonach są częścią „Casposons”, transpozonów zależnych od Cas1 . Niektóre wirusy (w tym polimeraza DNA Φ29 ) i plazmidy mitochondrialne również przenoszą polB.
Pol III
polimerazy DNA III jest głównym enzymem biorącym udział w replikacji DNA w E. coli i należy do rodziny polimeraz C. Składa się z trzech zespołów: rdzenia pol III, współczynnika procesowości beta przesuwnego zacisku i kompleksu zacisk-ładowanie. Rdzeń składa się z trzech podjednostek: α, centrum aktywności polimerazy, ɛ, korektor egzonukleolityczny i θ, które mogą działać jako stabilizator dla ɛ. Współczynnik procesowości zacisku przesuwnego beta jest również obecny w dwóch egzemplarzach, po jednym dla każdego rdzenia, aby utworzyć zacisk, który obejmuje DNA, umożliwiając wysoką procesywność. zespół ładowarki zaciskowej składający się z siedmiu podjednostek (τ2γδδ ′ χψ).
Stary podręcznikowy „model puzonowy” przedstawia kompleks elongacyjny z dwoma równoważnikami enzymu rdzeniowego w każdym widełku replikacyjnym (RF), po jednym dla każdej nici, opóźnionej i wiodącej. Jednak ostatnie dowody z badań pojedynczych cząsteczek wskazują średnio trzy stechiometryczne równoważniki enzymu rdzeniowego przy każdym RF zarówno dla Pol III, jak i jego odpowiednika w B. subtilis, PolC. Mikroskopia fluorescencyjna w komórkach wykazała, że synteza nici wiodących może nie być całkowicie ciągła, a Pol III* (tj. RF. W tych badaniach szybkość obrotu widełek replikacyjnych wynosiła około 10 s dla Pol III *, 47 s dla zacisku przesuwnego ß2 i 15 m dla helikazy DnaB. Sugeruje to, że helikaza DnaB może pozostać stabilnie związana z RF i służyć jako punkt zarodkowania dla kompetentnego holoenzymu. in vitro wykazały, że Pol III* ma wysoki wskaźnik obrotu RF w nadmiarze, ale pozostaje stabilnie związany z widełkami replikacyjnymi, gdy stężenie jest ograniczające. Inne badanie pojedynczej cząsteczki wykazało, że aktywność helikazy DnaB i wydłużanie nici może przebiegać z oddzieloną, stochastyczną kinetyką.
Pol IV
W E. coli polimeraza DNA IV (Pol IV) jest podatną na błędy polimerazą DNA zaangażowaną w nieukierunkowaną mutagenezę. Pol IV to polimeraza z rodziny Y, której ekspresja zachodzi przez dinB , który jest włączany poprzez indukcję SOS spowodowaną zablokowaniem polimeraz w widełkach replikacyjnych. Podczas indukcji SOS produkcja Pol IV wzrasta dziesięciokrotnie, a jedną z funkcji w tym czasie jest ingerencja w procesowość holoenzymu Pol III. Tworzy to punkt kontrolny, zatrzymuje replikację i daje czas na naprawę uszkodzeń DNA poprzez odpowiednią ścieżkę naprawy. Inną funkcją Pol IV jest przeprowadzanie syntezy translesion w zablokowanych widełkach replikacyjnych, jak na przykład omijanie adduktów N2-deoksyguaniny z większą szybkością niż transwersowanie nieuszkodzonego DNA. Komórki pozbawione dinB mają wyższy wskaźnik mutagenezy spowodowanej czynnikami uszkadzającymi DNA.
Pol V
Polimeraza DNA V (Pol V) jest polimerazą DNA z rodziny Y, która bierze udział w mechanizmach naprawy DNA w odpowiedzi SOS i syntezie translezji . Transkrypcja Pol V przez umuDC jest silnie regulowana, aby wytwarzać tylko Pol V, gdy w komórce obecne jest uszkodzone DNA, generujące odpowiedź SOS. Zablokowane polimerazy powodują, że RecA wiąże się z ssDNA, co powoduje samotrawienie białka LexA . LexA traci wtedy zdolność do tłumienia transkrypcji operonu umuDC. Ta sama nukleoproteina RecA-ssDNA modyfikuje potranslacyjnie białko UmuD w białko UmuD'. UmuD i UmuD' tworzą heterodimer, który oddziałuje z UmuC, co z kolei aktywuje katalityczną aktywność polimerazy umuC na uszkodzonym DNA. W przypadku E. coli zaproponowano model „pasa narzędziowego” polimerazy do przełączania pol III z pol IV w zablokowanym widełkach replikacyjnych, gdzie obie polimerazy wiążą się jednocześnie z zaciskiem β. Jednak zaangażowanie więcej niż jednej polimerazy TLS pracującej kolejno w celu ominięcia zmiany nie zostało jeszcze wykazane w E. coli . Ponadto Pol IV może katalizować zarówno insercję, jak i wydłużanie z wysoką wydajnością, podczas gdy pol V jest uważana za główną polimerazę SOS TLS. Jednym z przykładów jest obejście wewnątrzniciowego wiązania krzyżowego guaniny tyminą, gdzie wykazano na podstawie różnicy w sygnaturach mutacji dwóch polimeraz, że pol IV i pol V konkurują o TLS wewnątrzniciowego wiązania poprzecznego.
Rodzina D
Pyrococcus furiosus i Methanococcus jannaschii odkryto rodzinę D polimerazy DNA . Kompleks PolD jest heterodimerem dwóch łańcuchów, z których każdy jest kodowany przez DP1 (mała korekta) i DP2 (duży katalityczny). W przeciwieństwie do innych polimeraz DNA, struktura i mechanizm rdzenia katalitycznego DP2 przypomina wielopodjednostkowe polimerazy RNA . Interfejs DP1-DP2 przypomina palec cynkowy eukariotycznej polimerazy klasy B i jej małą podjednostkę. DP1, Mre11 , jest prawdopodobnie prekursorem małej podjednostki Pol α i ε , zapewniając możliwości korekty, które obecnie są utracone u eukariontów. Jego N-końcowa domena HSH jest podobna w strukturze do białek AAA , zwłaszcza podjednostki Pol III δ i RuvB . DP2 ma domenę KH klasy II . Pyrococcus abyssi polD jest bardziej stabilny termicznie i dokładniejszy niż polimeraza Taq , ale nie został jeszcze skomercjalizowany. Zaproponowano, że polimeraza DNA z rodziny D jako pierwsza wyewoluowała w organizmach komórkowych i że polimeraza replikacyjna ostatniego uniwersalnego przodka komórkowego (LUCA) należała do rodziny D.
Eukariotyczna polimeraza DNA
Polimerazy β, λ, σ, μ (beta, lambda, sigma, mu) i TdT
Polimerazy z rodziny X zawierają dobrze znaną polimerazę eukariotyczną pol β (beta) , jak również inne polimerazy eukariotyczne, takie jak Pol σ (sigma), Pol λ (lambda) , Pol μ (mu) i terminalna transferaza dezoksynukleotydowa (TdT) . Polimerazy z rodziny X występują głównie u kręgowców, a kilka w roślinach i grzybach. Te polimerazy mają wysoce konserwatywne regiony, które obejmują dwa motywy helisa-spinka do włosów-helisa, które są niezbędne w interakcjach DNA-polimeraza. Jeden motyw znajduje się w domenie 8 kDa, która oddziałuje z dalszym DNA, a jeden motyw znajduje się w domenie kciuka, która oddziałuje z nicią startera. naprawy wycinania zasad krótkich fragmentów , szlaku naprawy DNA, który jest niezbędny do naprawy zasad alkilowanych lub utlenionych, jak również miejsc bezzasadowych . Pol λ i Pol μ, kodowane odpowiednio przez POLL i POLM , biorą udział w niehomologicznym łączeniu końców , mechanizmie ponownego łączenia pęknięć dwuniciowych DNA spowodowanych odpowiednio nadtlenkiem wodoru i promieniowaniem jonizującym. TdT ulega ekspresji tylko w tkance limfatycznej i dodaje „n nukleotydów” do pęknięć dwuniciowych utworzonych podczas rekombinacji V (D) J w celu promowania różnorodności immunologicznej.
Polimerazy α, δ i ε (alfa, delta i epsilon)
Pol α (alfa) , Pol δ (delta) i Pol ε (epsilon) są członkami rodziny polimeraz B i są głównymi polimerazami zaangażowanymi w replikację jądrowego DNA. Kompleks pol α (kompleks pol α-DNA primazy) składa się z czterech podjednostek: podjednostki katalitycznej POLA1 , podjednostki regulatorowej POLA2 oraz odpowiednio małej i dużej prymasy PRIM1 i PRIM2 . Gdy prymasa stworzy starter RNA, Pol α rozpoczyna replikację wydłużając starter o ~20 nukleotydów. Ze względu na swoją wysoką procesywność, Pol δ przejmuje syntezę nici wiodącej i opóźnionej od Pol α. Pol δ jest wyrażany przez geny POLD1 , tworząc podjednostkę katalityczną, POLD2 , POLD3 i POLD4 tworząc inne podjednostki, które oddziałują z antygenem jądrowym proliferacji komórek (PCNA), który jest klamrą DNA , która pozwala Pol δ posiadać procesywność. Pol ε jest kodowany przez POLE1 , podjednostkę katalityczną, POLE2 i POLE3 . Donoszono, że funkcją Pol ε jest wydłużanie nici wiodącej podczas replikacji, podczas gdy Pol δ głównie replikuje nić opóźnioną; jednak ostatnie dowody sugerują, że Pol δ może również odgrywać rolę w replikacji wiodącej nici DNA. Uważa się, że C-końcowy region „reliktu polimerazy” Pol ε, mimo że nie jest potrzebny do aktywności polimerazy, jest niezbędny dla żywotności komórek. Uważa się, że region C-końca zapewnia punkt kontrolny przed wejściem w anafazę, zapewnia stabilność holoenzymu i dodaje białka do holoenzymu niezbędne do zainicjowania replikacji. Pol ε ma większą domenę „palmową”, która zapewnia wysoką procesywność niezależnie od PCNA.
W porównaniu z innymi polimerazami z rodziny B, rodzina egzonukleaz DEDD odpowiedzialna za korektę jest inaktywowana w Pol α. Pol ε jest wyjątkowy, ponieważ ma dwie domeny palca cynkowego i nieaktywną kopię innej polimerazy z rodziny B na swoim C-końcu. Obecność tego palca cynkowego ma wpływ na pochodzenie Eukaryota, który w tym przypadku jest umieszczony w Asgard z polimerazą B3 archeonów.
Polimerazy η, ι i κ (eta, jota i kappa)
Pol η (eta) , Pol ι (jota) i Pol κ (kappa) to polimerazy DNA rodziny Y zaangażowane w naprawę DNA przez syntezę translacji i kodowane odpowiednio przez geny POLH, POLI i POLK . Członkowie rodziny Y mają pięć wspólnych motywów, które pomagają w wiązaniu substratu i końca startera i wszystkie obejmują typowe domeny kciuka, dłoni i palca prawej ręki z domenami takimi jak mały palec (LF), domena związana z polimerazą (PAD) lub nadgarstek. Miejsce aktywne różni się jednak u członków rodziny ze względu na różne naprawiane uszkodzenia. Polimerazy z rodziny Y są polimerazami o niskiej wierności, ale udowodniono, że przynoszą więcej pożytku niż szkody, ponieważ mutacje wpływające na polimerazę mogą powodować różne choroby, takie jak rak skóry i Xeroderma Pigmentosum Variant (XPS). O znaczeniu tych polimeraz świadczy fakt, że gen kodujący polimerazę DNA η określany jest jako XPV, ponieważ utrata tego genu skutkuje chorobą Xeroderma Pigmentosum Variant. Pol η jest szczególnie ważny dla umożliwienia dokładnej syntezy translezji uszkodzeń DNA wynikających z promieniowania ultrafioletowego . Funkcjonalność Pol κ nie jest do końca poznana, ale naukowcy odkryli dwie prawdopodobne funkcje. Uważa się, że Pol κ działa jako przedłużacz lub element wprowadzający określoną zasadę w pewnych uszkodzeniach DNA. Wszystkie trzy polimerazy syntezy translezji, wraz z Rev1, są rekrutowane do uszkodzonych zmian poprzez zatrzymane replikacyjne polimerazy DNA. Istnieją dwie ścieżki naprawy uszkodzeń, co prowadzi naukowców do wniosku, że wybrana ścieżka zależy od tego, która nić zawiera uszkodzenie, nić wiodąca lub opóźniona.
Polimerazy Rev1 i ζ (zeta)
Pol ζ inna polimeraza z rodziny B, składa się z dwóch podjednostek Rev3 , podjednostki katalitycznej i Rev7 ( MAD2L2 ), która zwiększa funkcję katalityczną polimerazy i bierze udział w syntezie translezji. Pol ζ nie ma aktywności egzonukleazy 3' do 5', jest wyjątkowy, ponieważ może wydłużać startery z końcowymi niedopasowaniami. Rev1 ma trzy interesujące regiony w domenie BRCT , domenie wiążącej ubikwitynę i domenie C-końcowej i ma zdolność transferazy dCMP, co dodaje dezoksycytydynę naprzeciwko uszkodzeń, które zatrzymałyby replikacyjne polimerazy Pol δ i Pol ε. Te zablokowane polimerazy aktywują kompleksy ubikwityny, które z kolei rozdzielają polimerazy replikacyjne i rekrutują Pol ζ i Rev1. Razem Pol ζ i Rev1 dodają deoksycytydynę, a Pol ζ rozciąga się poza zmianę. Poprzez jeszcze nieokreślony proces Pol ζ dysocjuje, a polimerazy replikacyjne łączą się ponownie i kontynuują replikację. Pol ζ i Rev1 nie są wymagane do replikacji, ale utrata genu REV3 w pączkujących drożdżach może powodować zwiększoną wrażliwość na czynniki uszkadzające DNA z powodu zapadania się widełek replikacyjnych, w których polimerazy replikacyjne utknęły w martwym punkcie.
Telomeraza
Telomeraza jest rybonukleoproteiną , której funkcją jest replikacja końców liniowych chromosomów, ponieważ normalna polimeraza DNA nie może replikować końców, czyli telomerów . Jednoniciowy nawis 3' dwuniciowego chromosomu z sekwencją 5'-TTAGGG-3' rekrutuje telomerazę. Telomeraza działa jak inne polimerazy DNA, wydłużając koniec 3', ale w przeciwieństwie do innych polimeraz DNA, telomeraza nie wymaga matrycy. Podjednostka TERT, przykład odwrotnej transkryptazy , wykorzystuje podjednostkę RNA do utworzenia połączenia starter-matryca, które umożliwia telomerazie wydłużanie końca 3' końców chromosomów. Uważa się, że stopniowe zmniejszanie się rozmiaru telomerów w wyniku wielu replikacji w ciągu życia jest związane ze skutkami starzenia.
Polimerazy γ, θ i ν (gamma, theta i nu)
Pol γ (gamma), Pol θ (theta) i Pol ν (nu) to polimerazy z rodziny A. Pol γ, kodowana przez POLG , przez długi czas uważano za jedyną polimerazę mitochondrialną . Jednak ostatnie badania pokazują, że przynajmniej Pol β (beta) , polimeraza z rodziny X, jest również obecna w mitochondriach. Każda mutacja prowadząca do ograniczonej lub niedziałającej Pol γ ma znaczący wpływ na mtDNA i jest najczęstszą przyczyną autosomalnych dziedzicznych zaburzeń mitochondrialnych. Pol γ zawiera C-końcową domenę polimerazy i N-końcową domenę egzonukleazy 3'-5', które są połączone regionem łącznika, który wiąże podjednostkę pomocniczą. Podjednostka pomocnicza wiąże DNA i jest wymagana do procesowości Pol γ. Mutacja punktowa A467T w regionie łącznika jest odpowiedzialna za ponad jedną trzecią wszystkich zaburzeń mitochondrialnych związanych z Pol γ. Chociaż wiele homologów Pol θ, kodowanych przez POLQ , występuje u eukariotów, jego funkcja nie jest jasno poznana. Sekwencja aminokwasów na C-końcu jest tym, co klasyfikuje Pol θ jako polimerazę z rodziny A, chociaż poziom błędu dla Pol θ jest bardziej związany z polimerazami z rodziny Y. Pol θ wydłuża niedopasowane końce starterów i może ominąć miejsca pozbawione zasad poprzez dodanie nukleotydu. Ma również aktywność dezoksyrybofosfodiesterazy (dRPazy) w domenie polimerazy i może wykazywać ATPazy w bliskim sąsiedztwie ssDNA. Pol ν (nu) jest uważany za najmniej skuteczny z enzymów polimerazy. Jednak polimeraza DNA nu odgrywa aktywną rolę w naprawie homologii podczas odpowiedzi komórkowych na wiązania poprzeczne, spełniając swoją rolę w kompleksie z helikazą .
Rośliny wykorzystują dwie polimerazy z rodziny A do kopiowania zarówno genomu mitochondrialnego, jak i plastydowego. Są bardziej podobne do bakteryjnej Pol I niż do ssaczej Pol γ.
Odwrotna transkryptaza
Retrowirusy kodują niezwykłą polimerazę DNA zwaną odwrotną transkryptazą , która jest polimerazą DNA zależną od RNA (RdDp), która syntetyzuje DNA z matrycy RNA. Rodzina odwrotnych transkryptaz zawiera zarówno funkcjonalność polimerazy DNA, jak i funkcjonalność RNazy H, która degraduje sparowane zasady RNA do DNA. Przykładem retrowirusa jest HIV . Odwrotna transkryptaza jest powszechnie stosowana do amplifikacji RNA do celów badawczych. Używając matrycy RNA, PCR może wykorzystywać odwrotną transkryptazę, tworząc matrycę DNA. Ta nowa matryca DNA może być następnie wykorzystana do typowej amplifikacji PCR. Produkty takiego eksperymentu są więc zamplifikowanymi produktami PCR z RNA.
Każda cząsteczka retrowirusa HIV zawiera dwa genomy RNA , ale po zakażeniu każdy wirus generuje tylko jednego prowirusa . Po infekcji odwrotnej transkrypcji towarzyszy przełączanie matrycy między dwiema kopiami genomu (rekombinacja wyboru kopii). W każdym cyklu replikacji zachodzi od 5 do 14 zdarzeń rekombinacji na genom. Wydaje się, że przełączanie szablonów (rekombinacja) jest niezbędne do utrzymania integralności genomu i jako mechanizm naprawczy do ratowania uszkodzonych genomów.
Polimeraza DNA bakteriofaga T4
Bakteriofag (fag) T4 koduje polimerazę DNA, która katalizuje syntezę DNA w kierunku od 5' do 3'. Polimeraza faga ma również egzonukleazy , która działa w kierunku od 3' do 5' i ta aktywność jest wykorzystywana do korekty i edycji nowo wstawionych zasad. Zaobserwowano, że mutant faga z wrażliwą na temperaturę polimerazą DNA , hodowany w dopuszczalnych temperaturach, przechodzi rekombinację z częstotliwościami, które są około dwukrotnie wyższe niż w przypadku faga typu dzikiego.
Zaproponowano, że zmiana mutacyjna w fagowej polimerazie DNA może stymulować przełączanie nici matrycy (rekombinacja wyboru kopii) podczas replikacji .
Zobacz też
- Maszyny biologiczne
- sekwencjonowanie DNA
- Kataliza enzymatyczna
- Rekombinacja genetyczna
- Klonowanie molekularne
- Reakcja łańcuchowa polimerazy
- Dynamika domeny białkowej
- Transkrypcja odwrotna
- polimeraza RNA
- Polimeraza DNA Taq
Dalsza lektura
- Burgers PM, Koonin EV, Bruford E, Blanco L, Burtis KC, Christman MF, Copeland WC, Friedberg EC, Hanaoka F, Hinkle DC, Lawrence CW, Nakanishi M, Ohmori H, Prakash L, Prakash S, Reynaud CA, Sugino A , Todo T, Wang Z, Weill JC, Woodgate R (listopad 2001). „Eukariotyczne polimerazy DNA: propozycja zmienionej nomenklatury” . Journal of Biological Chemistry . 276 (47): 43487–90. doi : 10.1074/jbc.R100056200 . PMID 11579108 .
Linki zewnętrzne
- DNA + polimerazy w US National Library of Medicine Medical Subject Headings (MeSH)
- PDB Cząsteczka Miesiąca Polimeraza DNA
- Niezwykły mechanizm naprawy w polimerazie DNA lambda , Ohio State University , 25 lipca 2006.
- Świetna animacja polimerazy DNA firmy WEHI w 1:45 minucie
- Struktury makromolekularne 3D polimerazy DNA z EM Data Bank (EMDB)
