ДНК-полимераза

Трехмерная структура ДНК-связывающих спирально-хвойных участков в человеческой бета-ДНК-полимеразы

ДНК-полимераза - это фермент, участвующий в репликации ДНК. Ферменты этого класса катализируют полимеризацию дезоксирибонуклеотидов вдоль цепочки ДНК, который фермент "считывает" и использует в качестве шаблона. Новый тип нуклеотида определяется по принципу комплементарности с шаблоном, с которого ведется считывание. Молекула ДНК, синтезируется, является комплементарная к шаблону цепочки и идентична второй компоненты двойной спирали.

Различают ДНК-зависимую ДНК-полимеразу (КФ 2.7.7.7), использующий в качестве матрицы одну из цепей ДНК, и РНК-зависимую ДНК-полимеразу (другое название - обратная транскриптаза КФ 2.7.7.49), способную к считыванию информации с РНК ( обратная транскрипция). ДНК-полимераза является голоферментом, поскольку для нормального функционирования она требует присутствия ионов магния в качестве кофактора. При отсутствии ионов магния о ней можно говорить как о апофермент.


1. Действие ДНК-полимеразы

Схематическое изображение репликации ДНК

ДНК-полимераза добавляет свободные нуклеотиды к 3'-концу цепочки, собирается. Это приводит к элонгации цепи в направлении 5'-3 '.

Ни одна из известных ДНК-полимераз не может создать цепочку "с нуля": они в состоянии лишь добавлять нуклеотиды к уже существующей 3'-гидроксильной группы. По этой причине ДНК-полимераза нуждается праймера, к которому она могла бы добавить первый нуклеотид. Праймеры состоят из основ РНК и ДНК, при этом первые две основы всегда РНК-основами. Праймеры синтезируются другим ферментом - праймазы. Еще один фермент - геликазу - необходимый для раскрутки двойной спирали ДНК с формированием одноцепочечной структуры, обеспечивающей репликацию обеих цепочек согласно полуконсервативной модели репликации ДНК.

Некоторые ДНК-полимеразы также обладают способностью исправлять ошибки в только что собранном цепочке ДНК. Если происходит выявление неправильной пары нуклеотидов, ДНК-полимераза откатывается на один шаг назад. Благодаря своей екзонуклеазний активности, ДНК-полимераза может удалить неправильный нуклеотид из цепочки и вставить на его место правильный, после чего репликация продолжается в нормальном режиме.


2. Многообразие ДНК полимераз

Структура ДНК-полимераз достаточно жестко фиксирована. Их каталитические субъединицы очень мало отличаются в различных видах живых клеток. Такая фиксация структуры обычно появляется там, где отсутствие разнообразия обусловлена ​​огромной важности или даже незаменимостью для функционирования клетки.

Генами некоторых вирусов тоже кодируется особая ДНК-полимераза, которая может выборочно реплицировать вирусную ДНК. Ретровирусы имеют ген необычной ДНК-полимеразы, что является РНК-зависимой ДНК-полимеразой, которая называется обратной транскриптазой и осуществляет сбор ДНК, на основе шаблонной РНК.

ДНК-полимераза I (кольцевидная структура, состоящая из нескольких одинаковых молекул белка, показанных разными цветами), что Лигу поврежден цепочку ДНК

3. Семейства ДНК полимераз

На основе своей структуры ДНК-полимеразы могут быть разбиты на семь различных семейств: A, B, C, D, X, Y, и RT.

3.1. Семейство A

Семейство A включает репликативные и восстанавливающие ДНК-полимеразы. Репликативной члены этого семейства представлены, например, хорошо исследованной ДНК-полимеразой вируса Т7 или эукариотической митохондриальной ДНК-полимеразой γ. Среди восстановительных полимераз есть такие примеры как E.coli полимераза I (Pol I), Thermus Aquaticus Pol I или Bacillus stearothermophilus Pol I. Восстановительные полимеразы участвуют в процессе устранения ошибок в ДНК, которая собирается, а также в обработке фрагментов Оказаки.


3.2. Семейство B

В семейство B в основном входят восстановительные полимеразы, в частности основные эукариотические ДНК-полимеразы α, δ, ε, а также ДНК-полимераза ζ. К этому семейству также относят ДНК-полимеразы некоторых бактерий и бактериофагов, например бактериофагов T4, Phi29 и RB69. Эти ферменты используются в синтезе и 3'-5 ', и 5'-3' моноланцюжкы ДНК. Отличительной особенностью полимераз этого семейства есть замечательная точность репликации. Многие также обладает сильной 3'-5'-екзонуклеазною действием (за исключением ДНК-полимераз α и ζ, которые не имеют способности корректировать ошибки).


3.3. Семейство C

Полимеразы этого семейства - в основном бактериальные хромосомные репликативные ферменты, имеющие, кроме того, 3'-5'-екзонуклеазну активность.

3.4. Семейство D

Полимеразы этого семейства недостаточно изучены. Все известные образцы считаются репликативной полимеразами и обнаруженные в архей типа Euryarchaeota.

3.5. Семейство X

К семейству Х относится широко известная еукарична ДНК-полимераза β (Pol β), а также σ, λ, μ и конечная дезоксинуклеотидил-трансфераза (TDT). ДНК-полимераза β необходима для осуществления процесса восстановления поврежденных участков ДНК. Полимеразы λ и μ участвуют в негомологические соединении - процессе восстановления разрывов двойной спирали. TDT експрессуется только в лимфоидной ткани и добавляет "N нуклеотидов" к разрывам двойной спирали, образующиеся при В (Р) С рекомбинации. Дрожжи Saccharomyces cerevisiae имеют только одну полимеразу X, Pol 4, участвующего в негомологические соединении.


3.6. Семейство Y

Полимеразы этого семейства отличаются от других низкой производительностью на целостных шаблонах, а также способностью осуществлять репликацию на шаблонах поврежденной ДНК. Вследствие этого члены семейства называются полимеразами транслезийного синтеза (ТЛС-полимеразы). В зависимости от характера повреждения (лезвии) ТЛС-полимеразы могут восстановить начальную цепочку. Ошибка может и не быть восстановлена, что приводит к мутаций. Например, пациенты, страдающие от пигментной скенодермы, имеют в своем геноме мутантную ДНК полимеразу η (ета), что может без ошибок восстанавливать повреждения, вызванные ультрафиолетом, однако другие полимеразы, например ζ (относящийся к семейству B), приводят к ошибкам, что, как считается, приводит к предрасположенности к онкологическим заболеваниям.

Другие члены этого семейства - человеческие полимеразы ι, κ, а также конечная дезоксинуклеотидил-трансфераза Rev1. В E. coli есть два ТЛС-полимераз: IV (DINB) и V (UMUC).


3.7. Семейство RT

Наконец, семейство обратной транскриптазы (название семейства происходит от англ. reverse transcriptase ) Содержит полимеразы, обнаружены как в ретровирусов, так и у эукариот. Эукариотические полимеразы в основном представлены теломеразы. Эти полимеразы используют шаблонную РНК для синтеза цепи ДНК.

4. Прокариотические ДНК-полимеразы

У бактерий обнаружено пять ДНК-полимераз:

  • ДНК-полимераза I - задействована в восстановлении ДНК, имеет как 5'-3 ', так и 3'-5'-екзонуклеазну активность;
  • ДНК-полимераза II - участвует в репликации поврежденной ДНК. Обладает способностью 5'-3'-элонгации и 3'-5'-екзонуклеазну активность;
  • ДНК-полимераза III - основная полимераза бактерий, что также 3'-5'-екзонуклеазну активность;
  • ДНК-полимераза IV - ДНК-полимераза семейства Y;
  • ДНК-полимераза V - ДНК-полимераза семейства Y, участвующего в пропуске поврежденных участков ДНК.

5. Эукариотические ДНК-полимеразы

Эукариоты содержат минимум пятнадцать видов ДНК-полимераз [1] :

  • ДНК-полимераза α формирует комплекс с праймазы, которая синтезуюе праймер ДНК, после чего полимераза присоединяет к этому праймера нуклеотиды. После того, как длина цепочки достигнет около 20 нуклеотидов [2], в транскрипции приступают полимеразы δ и ε;
  • ДНК-полимераза β задействована в восстановлении ДНК;
  • ДНК-полимераза γ, осуществляющая репликацию митохондриальной ДНК;
  • ДНК-полимераза δ - основная полимераза эукариот. Она высокопроизводительная, а также 3'-5'-екзонуклеазну активность;
  • ДНК-полимераза ε, иногда замещает ДНК полимеразу δ при синтезе 3'-5'-цепочки. Основное назначение этой полимеразы неясно;
  • ДНК-полимеразы η, ι, κ и Rev1 из семейства Y, а также ζ из семейства B. Эти полимеразы задействованы в пропуске поврежденных участков ДНК [3].
  • Существуют также другие эукариотические ДНК-полимеразы, которые пока недостаточно изучены: θ, λ, φ, σ и μ, и некоторые другие.

Ни эукарио полимераза не может отщеплять праймеры, то есть не имеет 5-3'-екзонуклеазнои активности. Эту функцию выполняют другие ферменты. Только полимеразы, осуществляющие элонгацию (γ, δ и ε) имеют 3'-5'-екзонукеазну активность.


См.. также

Примечания

  1. I. Hubscher, U.; Maga, G.; Spadari, S. (2002) Eukaryotic DNA polymerases. Annual Review of Biochemistry 71, 133-63.
  2. JM Berg; JL Tymoczko; L. Stryer "Biochemie", Springer, Heidelberg / Berlin 2003
  3. I. Prakash, S.; Johnson, RE; Prakash, L. (2005) Eukaryotic translesion synthesis DNA polymerases: specificity of structure and function. Annual Review of Biochemistry 74, 317-53.