DNA-polymerase

3d struktur af helix - hårnål - helix DNA bindende motiv af human DNA polymerase β Nøgledata

EF-nr.	EF 2.7.7.7
CAS-nummer	9012-90-2

Enzymatisk aktivitet

IUBMB	IUBMB-post
IntEnz	IntEnz-visning
BRENDA	BRENDA indgang
KEGG	KEGG-indgang
MetaCyc	Metabolisk vej
PRIAM	Profil
FBF	RCSB FBF PDBe PDBj PDBsum
GÅ	AmiGO / EGO

En DNA-polymerase er et enzymkompleks involveret i replikationen af DNA under cellecyklussen, men også i processer til reparation og rekombination af DNA. DNA-polymeraser bruger deoxyribonukleosidtriphosphat som basis for syntese af en DNA-streng ved anvendelse af en anden DNA-streng som skabelon. Denne replikative proces bruger komplementariteten af nukleinsbaser til at lede syntesen af den nye streng fra skabelonstrengen. Der er flere familier polymeraser, der afviger i sekvens i aminosyrer og deres egenskaber katalysator .

Mekanisme

Start op

Alle DNA-polymeraser syntetiserer DNA i retning 5 '→ 3' i alle levende organismer, og ingen er i stand til at starte syntesen af en streng de novo . De kan kun tilføje nukleotider til en fri hydroxylende , generelt 3'-OH af strengen, der syntetiseres. Af denne grund har DNA-polymerase brug for en primer (eller primer ), hvorpå nye deoxyribonukleotider kan tilføjes.

Primeren kan være DNA eller RNA . I tilfælde af replikation syntetiseres primeren, der består af RNA, af et andet enzym, kaldet primase , inden i replikationskomplekset kaldet replisome . Dette indeholder også et enzym, helicase , som er nødvendigt for at adskille de to DNA-tråde og således tillade DNA-polymerase adgang og replikering. I tilfælde af reparations- og rekombinationsprocesser består primeren af et DNA-segment, der er resultatet af spaltningen ved en endonuklease af den beskadigede eller rekombinante streng, som frigiver en fri 3'-OH-ende.

Forlængelse og processivitet

De forskellige DNA-polymeraser adskiller sig i deres evne til at forlænge DNA uden at adskille sig fra skabelonstrengen, en egenskab kaldet processivitet . Nogle DNA-polymeraser er svagt forbundet med deres substrat og går i stykker efter kun at have polymeriseret nogle få nukleotider. Dette kaldes distribuerende DNA-polymeraser , hvilket er et kendetegn ved mange polymeraser, der er involveret i reparationsprocesser. Replikative DNA-polymeraser er på den anden side meget stærkt bundet til skabelonstrengen og adskiller sig ikke. De kan polymerisere flere hundrede tusind nukleotider ad gangen. Vi taler derefter om processive DNA-polymeraser . Et cofaktorprotein , griberen (eller klemmen ), kaldet PCNA i eukaryoter og arkæer og kompleks β i bakterier , binder til replikative polymeraser og øger deres processivitet markant.

Aktiviteten af DNA-polymeraser kræver tilstedeværelse af Mg 2 + -ioner som cofaktorer som binder især de phosphat grupper af nukleotider og af DNA .

Loyalitet og korrekturlæsning

Visse DNA-polymeraser, som også har en 3 '→ 5' exonukleaseaktivitet , har kapacitet til at korrigere inkorporeringsfejl i den nydannede streng. Når DNA-polymerasen laver en fejl, og der dannes en uoverensstemmelse på enzymets aktive sted, kan enzymet gå tilbage og hydrolysere det forkerte nukleotid: dette er 3'-5'-exonukleaseaktiviteten. , Også kaldet redigeringsfunktionen . Derefter kan den genindsætte den korrekte database og genoptage replikeringen. Denne korrekturlæsningsproces af DNA-polymerase forbedrer replikationsprocessens troskab og sænker fejlprocenten.

Tværtimod er visse DNA-polymeraser ikke særlig trofaste og begår fejl ved inkorporering af nukleotider med en højere frekvens. Disse DNA-polymeraser anvendes specifikt i DNA-reparationsprocesser. Deres afslappede specificitet giver dem mulighed for at replikere DNA-holdige læsioner, det vil sige baser, der er ændret ved kemiske modifikationer, som f.eks. Skyldes virkningen af UV-stråling, ioniserende eller mutagene midler. Vi taler om translésionelle DNA-polymeraser .

Der er også tale om en funktion af korrekturlæsning eller korrekturlæsning (" korrekturlæsning " på engelsk) DNA-polymeraser.

DNA-polymeraser i prokaryoter

Fem DNA-polymeraser er blevet identificeret i prokaryoter:

Pol I : involveret i DNA-reparation og replikering. Den har en 5 '→ 3' polymeraseaktivitet, en 3 '→ 5' exonukleaseaktivitettil korrekturlæsning og endelig en 5 '- 3' exonukleaseaktivitet,der gør det muligt at fjerne RNA-primere fra Okazaki-fragmenter i en periode. . Dens polymeraseaktivitet gør det muligt at syntetisere DNA, der er beregnet til straks at blive syet af en DNA-ligase .

Pol I er ikke særlig processiv og adskiller sig fra matricen efter tilsætning af ca. tyve nukleotider. I molekylærbiologi anvendes kun en del af proteinet, kaldet Klenow-fragmentet . Dette fragment indeholder 5 '→ 3' polymeraseaktivitet og 3 '→ 5' exonukleaseaktivitet .

Pol II : involveret i replikationen af beskadiget DNA, den har 5 '→ 3' polymeraseaktivitetog 3 '→ 5' exonukleaseaktivitet.

Pol II er ikke særlig processiv.

Pol III : det er hovedpolymerasen, der griber ind i forlængelsen af DNA-kæden under replikationen på niveauet med den avancerede streng og syntesen af Okazaki-fragmenter . Den består af tre underenheder, der udgør holoenzymet:
- a ( alfa ) underenheden har 5 '→ 3' polymeraseaktivitet ,
- ε ( epsilon ) underenheden har 3 '→ 5' exonukleaseaktivitet , og
- underenheden θ ( theta ) stimulerer " korrekturlæsning " af den foregående.
Dette holoenzym danner kernen i et replisom, der i alt består af ti proteiner :
- to polymerase III holoenzymer ,
- to β ( beta ) enheder, der fungerer som DNA- klemme ,
- to τ ( tau ) enheder til dimerisering af polymerase III-holoenzym,
- en γ ( gamma ) enhed kaldet en klemlæsser, der selv består af tre korrekte γ underenheder, en δ ( delta ) underenhed og en δ '( delta prime) underenhed , og endelig
- en Χ enhed ( Khi ) og en Ψ enhed ( Psi ), der danner et 1: 1-kompleks, der binder til enten τ-enheden eller γ-enheden.

Under replikation placeres y-komplekset ved åbningen af replikationsgaffelen i kontakt med helicase . Den bevæger β-underenhederne (også kaldet beta- klemmer) omkring hver skabelon-DNA-streng som en pincet for at lade holoenzymet, der er bundet til det, glide over skabelonstrengen. Derudover er y-komplekset knyttet til de to τ-enheder, der selv er knyttet til de to α-underenheder af holoenzymerne. Pol III er meget processiv.

Pol IV : DNA-polymerase af Y-familien.

Pol V : DNA-polymerase af Y-familien.

DNA-polymeraser i eukaryoter

Pol α-primase ( alfa ): også kaldet RNA Pol, det syntetiserer korte RNA- primereved replikationsstartstedet på den avancerede streng såvel som RNA-primere til Okazaki-fragmenter af den bagudgående streng. Denne polymerase har ikke en 3 '→ 5' exonukleasefunktion.

Pol β ( beta ): denne polymerase er involveret i DNA-reparationsprocesser. Det har ikke en exonukleasefunktion. Det svarer til bakteriel Pol II.

Pol γ ( gamma ): denne familie En polymerase er involveret i replikationen af mitokondrie-DNA .

Pol δ ( delta ): det er den vigtigste polymerase involveret i DNA-replikation i eukaryoter med DNA Pol ε i syntesen af den avancerede streng og den efterslæbende streng. Det har også 3 'til 5' exonukleaseaktivitet involveret i fejlkorrektion og reparationsprocesser. Polymerase δ er meget processiv, når den kombineres med PCNA . Denne polymerase svarer til bakteriel Pol III.

Pol ε ( epsilon ): den har 5 '→ 3' polymeraseaktivitetog 3 '→ 5' exonukleaseaktivitetog er involveret i DNA-replikation og reparation. Den læser i 3 '→ 5' retning og syntetiserer 5 '→ 3' det område af telomeren, som ikke kan syntetiseres af Pol δ (en foreløbig primer skal placeres af primasen på den langstrakte 3 'ende af telomeren ). En ligase fremstiller derefter suturen mellem de to tråde.

Pol ζ ( zeta ): polymerase af B-familien.

Pol η ( eta ): polymerase af Y-familien.

Pol θ ( theta ): En familiepolymerase. En nylig publikation indikerer, at hvis den ikke fremstiller fremragende transkriptase, er den i stand til at udføre omvendt transkriptase.

Pol ι ( iota ): polymerase af Y-familien.

Pol κ ( kappa ): polymerase af Y-familien.

Rev1 : polymerase af Y-familien.

DNA-polymeraser i arkæer

Polymerase B : alle type B DNA-polymeraser identificeret i arkæer udviser 5 '→ 3' polymeraseaktivitet og 3 '→ 5' exonukleaseaktivitet . De består af en enkelt underenhed.

Polymerase D : Disse DNA-polymeraser, der findes i Euryarchaeota, består af to forskellige underenheder. Den store DP2-underenhed besidder katalytisk aktivitet, men kun i nærværelse af den lille DP1-underenhed.

DNA-polymerasefamilier

Baseret på proteinsekvens og strukturel homologi kan polymeraser opdeles i forskellige familier: A, B, C, D, X, Y og RT.

Familie A

Familie A-polymeraser indeholder replikative polymeraser og reparationspolymeraser. De replikative polymeraser fra denne familie inkluderer især bakteriofag T7-polymerase og gamma-DNA-polymerase af eukaryoter. Blandt DNA-reparationspolymeraser findes DNA-polymerase I fra E. coli , Thermus aquaticus og Bacillus stearothermophilus . Disse reparationspolymeraser er involveret i basale excisionelle reparationsprocesser og i syntesen af Okazaki-fragmenterne af den efterslæbende streng under replikation.

Familie B

Denne familie grupperer i det væsentlige replikative DNA-polymeraser og inkluderer Pol α , Pol δ og Pol ε DNA-polymeraser af eukaryoter . En familie B DNA-polymerase blev identificeret i alle de undersøgte arkæearter . Familie B indeholder også DNA-polymeraser fra bakterier og bakteriofager , hvoraf den bedst karakteriserede er fra fag T4 og RB69. Disse enzymer er involveret i syntesen af den ledende streng og den bagudgående streng.

Familie C

DNA-polymeraser af denne familie er blevet isoleret fra bakterier. De har også 5 '→ 3' exonukleaseaktivitet .

Familie D

DNA-polymeraser familie D forblive dårligt karakteriseret og blev fundet kun blandt Euryarchaeota , en gren ( phylum ) af rige af Archaea .

Familie X

X-familien omfatter DNA-polymerase β, der er karakteriseret i eukaryoter og andre DNA-polymeraser, såsom Pol σ , Pol λ og Pol μ . Den DNA-polymerase β kræves til processen DNA-reparation kaldet BER ( basis excision reparation ). Den Pol λ og μ Pol involveret i processen af DNA-reparation involverer dobbeltstrengsbrud.

Familie Y

Polymeraser af Y-familien er kendetegnet ved deres evne til at tolerere DNA-beskadigelse under replikation. De kaldes polymerases translésion (TLS translesion sythesis polymerases ). De har ikke en 3 '→ 5' exonukleasefunktion . Deres troskab under DNA-syntese er lav, selv i fravær af beskadiget DNA.

RT familie

Den omvendte transkriptasefamilie inkluderer DNA-polymeraser fra retrovira og fra eukaryoter . Disse polymeraser er i stand til at syntetisere DNA fra en RNA- skabelon .

Theta-polymerasen kan muligvis udføre revers transkriptase.

Bibliografi

Garg, P. og PM burgere. 2005. DNA-polymeraser, der formerer den eukaryote DNA-replikationsgaffel. Crit Rev Biochem Mol Biol 40: 115-28.
Hubscher, U., G. Maga og S. Spadari. 2002. Eukaryote DNA-polymeraser. Annu Rev Biochem 71: 133-63.
Kelman, Z. 2000. DNA-replikering i det tredje domæne (af livet). Nuværende protein- og peptidvidenskab 1: 139-154.
Johnson, A. og M. O'Donnell. 2005. Cellular DNA replikaser: komponenter og dynamik ved replikationsgaffelen. Annu Rev Biochem 74: 283-315.
Nohmi, T. 2006. Miljøstress og læsion-omgå DNA-polymeraser. Annu Rev Microbiol.

Se også

Relaterede artikler

Noter og referencer

(da) Gurushankar Chandramouly , Jiemin Zhao , Shane McDevitt og Timur Rusanov , " Polθ reverse transkriberer RNA og fremmer RNA-skabeloneret DNA-reparation " , Science Advances , bind. 7, nr . 24,1 st juni 2021, eabf1771 ( ISSN 2375-2548 , PMID 34117057 , DOI 10.1126 / sciadv.abf1771 , læs online , adgang til 5. juli 2021 )