ДНК-полимераза

ДНК-полимераза — фермент, участвующий в репликации ДНК. Ферменты этого класса катализируют полимеризацию дезоксирибонуклеотидов вдоль цепочки нуклеотидов ДНК, которую фермент «читает» и использует в качестве шаблона. Тип нового нуклеотида определяется по принципу комплементарности с шаблоном, с которого ведётся считывание. Собираемая молекула комплементарна шаблонной моноспирали и идентична второму компоненту двойной спирали.[1]

Трёхмерная структура ДНК-связывающих спирально-шпилечных участков в человеческой бета-ДНК-полимеразе (PDB: 7ICG)

Выделяют ДНК-зависимую ДНК-полимеразу (КФ 2.7.7.7), использующую в качестве матрицы одну из цепей ДНК, и РНК-зависимую ДНК-полимеразу (другое название обратная транскриптаза, КФ 2.7.7.49), способную также к считыванию информации с РНК (обратная транскрипция)[2].

ДНК-полимеразу считают холоферментом, поскольку для нормального функционирования она требует присутствия ионов магния в качестве кофактора. В отсутствие ионов магния о ней можно говорить как об апоферментe.

ДНК-полимераза начинает репликацию ДНК, связываясь с отрезком цепи нуклеотидов. Среднее количество нуклеотидов, присоединяемое ферментом ДНК-полимеразой за один акт связывания/диссоциации с матрицей, называют процессивностью.

Действие ДНК-полимеразы

Репликация ДНК

Как известно, две цепи молекулы ДНК антипараллельны. Разные концы одной цепи называются 3’-конец и 5’-конец. Репликация происходит путём непрерывного роста нуклеотида за нуклеотидом обеих новых цепей одновременно. Матрица считывается ДНК-полимеразой только в направлении 3’-5’, добавляя свободные нуклеотиды к 3’-концу собираемой цепочки. Поэтому синтез ДНК происходит непрерывно только на одной из матричных цепей, называемой «лидирующей». Во второй цепи («отстающей») синтез происходит короткими фрагментами.

Ни одна из известных ДНК-полимераз не может создать цепочку «с нуля»: они в состоянии лишь добавлять нуклеотиды к уже существующей 3’-гидроксильной группе. По этой причине ДНК-полимераза нуждается в праймере, к которому она могла бы добавить первый нуклеотид. Праймеры состоят из оснований РНК и ДНК, при этом первые два основания всегда РНК-основания. Праймеры синтезируются другим ферментом — праймазой. Ещё один фермент — хеликаза — необходим для раскручивания двойной спирали ДНК с формированием одноцепочечной структуры, которая обеспечивает репликацию обеих цепочек в соответствии с полуконсервативной моделью репликации ДНК.

Некоторые ДНК-полимеразы обладают также способностью исправлять ошибки во вновь собираемой цепочке ДНК. Если происходит обнаружение неправильной пары нуклеотидов, ДНК-полимераза откатывается на один шаг назад. Благодаря своей 3'-5'-экзонуклеазной гидролитической активности ДНК-полимераза может исключить неправильный нуклеотид из цепочки и затем вставить на его место правильный, после чего репликация продолжается в нормальном режиме.

Многообразие ДНК-полимераз

Структура ДНК-полимераз достаточно жёстко фиксирована. Их каталитические субъединицы очень мало различаются в различных видах живых клеток. Такая фиксация структуры обычно появляется там, где отсутствие разнообразия обусловлено огромной важностью или даже незаменимостью для функционирования клетки.

Генами некоторых вирусов тоже кодируются особые ДНК-полимеразы, которые могут избирательно реплицировать вирусные ДНК. Ретровирусы обладают геном необычной ДНК-полимеразы, называемой ещё обратной транскриптазой, являющейся РНК-зависимой ДНК-полимеразой и осуществляющей сборку ДНК на основе шаблонной РНК.

Семейства ДНК-полимераз

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

Семейство A

Семейство A включает в себя репликативные и восстановительные ДНК-полимеразы. Репликативные члены этого семейства представлены, например, хорошо исследованной ДНК-полимеразой вируса Т7 или эукариотической митохондриальной ДНК-полимеразой γ. Среди восстановительных полимераз мы находим такие примеры как ДНК-полимераза I E. coli, полимераза I из Thermus aquaticus или полимераза I Bacillus stearothermophilus. Восстановительные полимеразы участвуют в процессе устранения ошибок в собираемой ДНК, а также в обработке фрагментов Оказаки.

Семейство B

В семейство B в основном входят восстановительные полимеразы, в том числе основные эукариотические ДНК-полимеразы α, δ, и 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’ моноцепей ДНК. Отличительной особенностью полимераз этого семейства является замечательная точность репликации. Многие также обладают сильным 3’-5’-экзонуклеазным действием (за исключением ДНК-полимераз α и ζ, у которых способности корректировать ошибки не наблюдается)[3].

Семейство C

Полимеразы этого семейства — в основном бактериальные хромосомные репликативные ферменты, обладающие, кроме того, 3’-5’-экзонуклеазным действием.

Семейство D

Полимеразы этого семейства недостаточно изучены. Все известные образцы считаются репликативными полимеразами и обнаружены у архей субдомена Euryarchaeota[4].

Семейство X

К семейству Х относится широко известная эукариотическая ДНК-полимераза β, а также и другие, такие как σ, λ, μ и концевая дезоксинуклеотидил-трансфераза (TdT). ДНК-полимераза β необходима для осуществления процесса восстановления поврежденных участков ДНК. Полимеразы λ и μ участвуют в негомологическом соединении — процессе восстановления разрывов двойной спирали.. TdT экспрессируется только в лимфоидной ткани и добавляет «n нуклеотидов» к разрывам двойной спирали, образующимся во время В(Р)С-рекомбинации. Дрожжи Saccharomyces cerevisiae обладают лишь одной полимеразой X, Pol4, участвующей в негомологическом соединении[5].

Семейство Y

Полимеразы этого семейства отличаются от прочих низкой производительностью на целостных шаблонах, а также способностью осуществлять репликацию на шаблонах поврежденных ДНК. Вследствие этого члены семейства называются полимеразами транслезионного синтеза. В зависимости от характера повреждения (лезии) ТЛС-полимеразы могут восстановить исходную цепочку. Ошибка может и не быть восстановлена, что приводит к мутациям. Страдающие Xeroderma pigmentosum, например, обладают мутантным геном ДНК-полимеразы η (eta), который толерантен к повреждениям, однако другие полимеразы, например ζ (относящаяся к семейству B), страдают от мутаций, что, как считается, приводит к предрасположенности к онкологическим заболеваниям.

Другие члены этого семейства — человеческие полимеразы ι, κ, а также концевая дезоксинуклеотидил-трансфераза Rev1. У E.coli имеются две ТЛС-полимеразы: IV (DINB) и V (UMUC)[6].

Семейство RT

Семейство обратных транскриптаз (название семейства происходит от англ. reverse transcriptase) содержит полимеразы, обнаруженные как у ретровирусов, так и у эукариот. Они являются РНК-зависимыми ДНК-полимеразами, то есть, в отличие от описанных выше ферментов, используют в качестве матрицы для синтеза РНК, а не ДНК. Эукариотические обратные транскриптазы в основном представлены теломеразами. Эти полимеразы используют шаблонную РНК для синтеза цепочки ДНК.

Прокариотические ДНК-полимеразы

У бактерий обнаружено пять ДНК-полимераз:

ДНК-полимераза I задействована в восстановлении ДНК, обладает и 5'-3', и 3'-5'-экзонуклеазным действием;
ДНК-полимераза II участвует в репарации поврежденной ДНК. Обладает способностью 5'-3'-удлинения цепочки и 3'-5'-экзонуклеазным действием;
ДНК-полимераза III — основная полимераза бактерий, обладающая также 3'-5'-экзонуклеазным действием;
ДНК-полимераза IV, ДНК-полимераза семейства Y;
ДНК-полимераза V, ДНК-полимераза семейства Y, принимающая участие в пропуске поврежденных участков ДНК.

Эукариотические ДНК-полимеразы

Эукариоты содержат по меньшей мере пятнадцать видов ДНК-полимераз[7]:

ДНК-полимераза α выступает сначала в роли праймазы, синтезируя праймер РНК, а затем как нормальная полимераза, присоединяя к этому праймеру нуклеотиды. После того, как длина цепочки достигнет около 20 нуклеотидов[8], к синтезу ДНК приступают полимеразы δ и ε;
ДНК-полимераза β задействована в восстановлении ДНК;
Pol γ, осуществляющая репликацию митохондриальной ДНК;
ДНК-полимераза δ — основная полимераза эукариот. Она высокопроизводительна, а также обладает 3'-5'-экзонуклеазным действием;
ДНК-полимераза ε, иногда замещающая ДНК-полимеразу δ во время синтеза 3’-5’-моноспирали. 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[9].
Существуют также другие эукариотические ДНК-полимеразы, которые пока недостаточно изучены: θ, λ, φ, σ и μ.

Обнаружены и другие эукариотические полимеразы.

Ни одна эукариотическая полимераза не может отщеплять праймеры, то есть не обладает 5’-3’-экзонуклеазным действием. Эту функцию выполняют другие ферменты. Только полимеразы, осуществляющие элонгацию (γ, δ и ε), обладают 3'-5'-экзонуклеазными свойствами.

См. также

Примечания

DNA polymerases : discovery, characterization, and functions in cellular DNA transactions. — Hackensack, NJ: World Scientific, 2010. — 1 online resource (xv, 321 pages) с. — ISBN 9789814299176, 9814299170.
T. A. Steitz. DNA polymerases: structural diversity and common mechanisms // The Journal of Biological Chemistry. — 1999-06-18. — Т. 274, вып. 25. — С. 17395—17398. — ISSN 0021-9258.
Magdalena Banach-Orlowska, Iwona J. Fijalkowska, Roel M. Schaaper, Piotr Jonczyk. DNA polymerase II as a fidelity factor in chromosomal DNA synthesis in Escherichia coli // Molecular Microbiology. — 2005-10. — Т. 58, вып. 1. — С. 61—70. — ISSN 0950-382X. — doi:10.1111/j.1365-2958.2005.04805.x.
Myron F. Goodman. Error-prone repair DNA polymerases in prokaryotes and eukaryotes // Annual Review of Biochemistry. — 2002. — Т. 71. — С. 17—50. — ISSN 0066-4154. — doi:10.1146/annurev.biochem.71.083101.124707.
Jennifer Yamtich, Joann B. Sweasy. DNA polymerase family X: function, structure, and cellular roles // Biochimica Et Biophysica Acta. — 2010-5. — Т. 1804, вып. 5. — С. 1136—1150. — ISSN 0006-3002. — doi:10.1016/j.bbapap.2009.07.008.
Haruo Ohmori, Tomo Hanafusa, Eiji Ohashi, Cyrus Vaziri. Separate roles of structured and unstructured regions of Y-family DNA polymerases // Advances in Protein Chemistry and Structural Biology. — 2009. — Т. 78. — С. 99—146. — ISSN 1876-1631. — doi:10.1016/S1876-1623(08)78004-0.
Hübscher Ulrich, Maga Giovanni, Spadari Silvio. Eukaryotic DNA Polymerases (англ.) // Annual Review of Biochemistry. — 2002. — June (vol. 71, no. 1). — P. 133—163. — ISSN 0066-4154. — doi:10.1146/annurev.biochem.71.090501.150041. — PMID 12045093.
J. M. Berg; J. L. Tymoczko; L. Stryer «Biochemie», Springer, Heidelberg/Berlin 2003
Prakash Satya, Johnson Robert E., Prakash Louise. EUKARYOTIC TRANSLESION SYNTHESIS DNA POLYMERASES: Specificity of Structure and Function (англ.) // Annual Review of Biochemistry. — 2005. — June (vol. 74, no. 1). — P. 317—353. — ISSN 0066-4154. — doi:10.1146/annurev.biochem.74.082803.133250. — PMID 15952890.

Литература

Burgers P., Koonin E., Bruford E et al. Eukaryotic DNA polymerases: proposal for a revised nomenclature (англ.) // J. Biol. Chem. : journal. — 2001. — Vol. 276, no. 47. — P. 43487—43490. — PMID 11579108.

Ссылки

DNA Polymerases: Custom Search Engine (недоступная ссылка) at custom-search-engine.com
Annual Review of Biochemistry: EUKARYOTIC DNA POLYMERASES at annualreviews.org
Unusual repair mechanism in DNA polymerase lambda, Ohio State University, July 25, 2006.

This article is issued from Wikipedia. The text is licensed under Creative Commons - Attribution - Sharealike. Additional terms may apply for the media files.

[1] DNA polymerases : discovery, characterization, and functions in cellular DNA transactions. — Hackensack, NJ: World Scientific, 2010. — 1 online resource (xv, 321 pages) с. — ISBN 9789814299176, 9814299170.

[2] T. A. Steitz. DNA polymerases: structural diversity and common mechanisms // The Journal of Biological Chemistry. — 1999-06-18. — Т. 274, вып. 25. — С. 17395—17398. — ISSN 0021-9258.

[3] Magdalena Banach-Orlowska, Iwona J. Fijalkowska, Roel M. Schaaper, Piotr Jonczyk. DNA polymerase II as a fidelity factor in chromosomal DNA synthesis in Escherichia coli // Molecular Microbiology. — 2005-10. — Т. 58, вып. 1. — С. 61—70. — ISSN 0950-382X. — doi:10.1111/j.1365-2958.2005.04805.x.

[4] Myron F. Goodman. Error-prone repair DNA polymerases in prokaryotes and eukaryotes // Annual Review of Biochemistry. — 2002. — Т. 71. — С. 17—50. — ISSN 0066-4154. — doi:10.1146/annurev.biochem.71.083101.124707.

[5] Jennifer Yamtich, Joann B. Sweasy. DNA polymerase family X: function, structure, and cellular roles // Biochimica Et Biophysica Acta. — 2010-5. — Т. 1804, вып. 5. — С. 1136—1150. — ISSN 0006-3002. — doi:10.1016/j.bbapap.2009.07.008.

[6] Haruo Ohmori, Tomo Hanafusa, Eiji Ohashi, Cyrus Vaziri. Separate roles of structured and unstructured regions of Y-family DNA polymerases // Advances in Protein Chemistry and Structural Biology. — 2009. — Т. 78. — С. 99—146. — ISSN 1876-1631. — doi:10.1016/S1876-1623(08)78004-0.

[7] Hübscher Ulrich, Maga Giovanni, Spadari Silvio. Eukaryotic DNA Polymerases (англ.) // Annual Review of Biochemistry. — 2002. — June (vol. 71, no. 1). — P. 133—163. — ISSN 0066-4154. — doi:10.1146/annurev.biochem.71.090501.150041. — PMID 12045093.

[8] J. M. Berg; J. L. Tymoczko; L. Stryer «Biochemie», Springer, Heidelberg/Berlin 2003

[9] Prakash Satya, Johnson Robert E., Prakash Louise. EUKARYOTIC TRANSLESION SYNTHESIS DNA POLYMERASES: Specificity of Structure and Function (англ.) // Annual Review of Biochemistry. — 2005. — June (vol. 74, no. 1). — P. 317—353. — ISSN 0066-4154. — doi:10.1146/annurev.biochem.74.082803.133250. — PMID 15952890.