ДНК-полимеразы – могущественные авторы генома

ДНК-полимераза

Определение ДНК-полимеразы

ДНК-полимеразы – это ферменты, катализирующие синтез молекул ДНК из дезоксирибонуклеотидов. ДНК-полимеразы играют ключевую роль в репликации ДНК, обеспечивая передачу генетической информации дочерним клеткам из поколения в поколение.

Вы заинтересованы в расшифровке 100% вашей ДНК? Nebula Genomics предлагает самое доступное секвенирование всего генома! Начните жизнь открытий с полного доступа к вашим геномным данным, еженедельным обновлениям на основе последних научных открытий, расширенному анализу предков и мощным инструментам исследования генома. Нажмите сюда, чтобы узнать больше!

Под редакцией Кристины Сордс, доктора философии.

Биохимические аспекты ДНК-полимераз

Полимеразная активность

Полимераза позволяет химическим соединениям отдельных молекул (мономеров) образовывать цепь (полимер). В случае ДНК-полимеразы образующийся полимер представляет собой дезоксирибонуклеиновую кислоту (ДНК). Мономеры представляют собой дезоксирибонуклеотиды, точнее дезоксинуклеозидтрифосфаты (dNTP). ДНК-зависимая ДНК-полимераза всегда использует уже существующую одиночную цепь ДНК в качестве матрицы для синтеза новой комплементарной цепи, нуклеотидная последовательность которой, таким образом, определяется шаблоном. Это сохранение последовательности ДНК имеет решающее значение для способности ДНК-полимеразы копировать генетическую информацию, закодированную в ДНК. Правильное копирование матрицы достигается путем комплементарного спаривания включенных нуклеотидных оснований с основаниями матрицы ДНК, опосредованного водородными связями. Синтез новой цепи ДНК происходит от 5 ‘до 3′ конца. Химически происходит нуклеофильная атака концевой 3’-гидроксильной группы цепи ДНК на α-фосфат dNTP с высвобождением пирофосфата. Этот этап катализируется полимеразой.

В отличие от РНК-полимераз (производит РНК, которая используется для синтеза белков из аминокислот), синтез комплементарной цепи ДНК в ДНК-полимеразах может происходить только в том случае, если для полимеразы доступен свободный 3′-гидрокси-конец. Затем к этому концу присоединяется первый нуклеотид. В полимеразной цепной реакции (ПЦР) однониточная ДНК (праймер) длиной около 15-20 нуклеотидов используется в качестве начальной точки реакции. Для ферментов обычно требуются ионы магния в качестве кофактора.

Катализ образования диэфирной связи функционально аналогичен соответствующей реакции РНК-полимераз. Последний нуклеотид уже синтезированного участка и нуклеотид, который должен быть добавлен, координируются с одним из двух ионов магния, каждый в каталитическом центре полимеразного домена. Первая фосфатная группа добавляемого нуклеотида координируется с обоими ионами магния. Пространственное положение позволяет гидроксигруппе предыдущего нуклеотида атаковать фосфатную группу добавляемого нуклеотида. При этом отщепляется пирофосфатный остаток.

Функции активных сайтов ДНК-полимеразы.
Процессы в активных центрах ДНК-полимеразы, где катализируются реакции нуклеиновых кислот.

Экзонуклеазная активность

Многие полимеразы также выполняют другие функции ферментов. В присутствии низких концентраций дНТФ преобладает 3 ‘→ 5’ экзонуклеазная активность по удалению нуклеотидов. Некоторые полимеразы также обладают экзонуклеазной активностью 5 ‘→ 3’. Чтобы гарантировать отсутствие ошибок при чтении матрицы ДНК, они имеют эту функцию корректирующего считывания, т.е. они могут обнаружить вставку неподходящего нуклеотида, а затем удалить его из ДНК с помощью экзонуклеазной активности. Это делает возможным деградацию существующей цепи ДНК или РНК, которая уже спарена с цепью матрицы, пока формируется новая цепь. Это приводит к замене старой пряди на новую. Эта экзонуклеазная активность используется методом ник-трансляции.

Различные ДНК-полимеразы

У бактерий, таких как Escherichia coli, есть три различных ДНК-зависимых ДНК-полимеразы. Одна из них, ДНК-полимераза I (Pol I), была выделена в 1955 году Артуром Корнбергом и стала первой полимеразой, когда-либо обнаруженной. Однако это не самая важная полимераза для репликации в E. coli, так как она катализирует всего около 20 стадий синтеза (то есть имеет только низкую вычислительную мощность). Однако он отвечает за деградацию праймера во время репликации из-за своей 5 ‘→ 3’ экзонуклеазной активности. ДНК-полимераза II и ДНК-полимераза III, две другие ДНК-полимеразы в E. coli, были выделены только через 15 лет после открытия ДНК-полимеразы I, после того, как мутанты E. coli с дефектом в гене полимеразы I, тем не менее, оказались компетентными для репликация. Однако эти мутанты были особенно чувствительны к УФ-излучению и алкилирующим веществам, поэтому предполагается, что ДНК-полимераза I в основном выполняет задачи репарации. Полимераза III, которая осуществляет фактическую репликацию в E. coli, состоит всего из семи субъединиц и встречается лишь в очень небольшом количестве копий на бактериальную клетку.

Эукариотические ДНК-полимеразы, включая ДНК-полимеразы человека, подразделяются на следующие семейства:

  • Семейство A: ДНК-полимеразы γ, θ и ν
  • Семейство B: ДНК-полимеразы α, δ, ε и ζ
  • Семейство X: ДНК-полимеразы β, λ, σ и μ
  • Семейство Y: ДНК-полимеразы η, ι и κ

Полимераза γ встречается только в митохондриях.

У млекопитающих встречается только пять типов: α, β, γ, δ и ε. Предполагается, что полимеразы δ и ε, которые имеют решающее значение для репликации, характеризуются высокой вычислительной мощностью и функцией контрольного считывания. Напротив, полимеразы α и β демонстрируют только низкую вычислительную мощность и не имеют функции контрольного считывания.

Кроме того, существуют РНК-зависимые ДНК-полимеразы, которые используют РНК в качестве матрицы и присоединяют к ней дНТФ. Они называются обратными транскриптазами, в которые также входит теломераза. Единственная известная независимая ДНК-полимераза – это терминальная дезоксирибонуклеотидилтрансфераза.

У архебактерий есть термостабильные типы, которые также используются для ПЦР.

Биологическое значение

ДНК-полимеразы имеют центральное значение для репликации ДНК. Они позволяют точно копировать генетическую информацию в форме ДНК, что является решающим шагом в воспроизводстве и воспроизведении живых организмов. Ферменты также играют важную роль в процессах, связанных с репарацией ДНК.

Биотехнологическое значение

В лаборатории ДНК-полимеразы часто используются для полимеразной цепной реакции и связанных методов (например, RT-PCR, qPCR), для ник-трансляции, случайного праймирования и секвенирования ДНК. Большое количество различных термостабильных типов (например, полимераза Taq из Thermus aquaticus ), некоторые из которых модифицированы с помощью белковой инженерии. Помимо высокой температурной стабильности, термостабильные ДНК-полимеразы архаичного происхождения, такие как полимераза Pfu, обеспечивают надежное считывание, поскольку ПЦР не должна приводить к каким-либо изменениям в продуцируемой ДНК. Кроме того, ДНК-полимеразы с замещением цепей, такие как ДНК-полимераза φ29, используются в различных методах изотермической амплификации ДНК при комнатной температуре. Предшественником используемых сегодня ДНК-полимераз была ДНК-полимераза Т4.

Вам понравился этот пост в блоге? Ты можешь найти больше сообщений о ДНК, генетике и секвенировании здесь !

Возможно, вас заинтересуют следующие статьи блога по теме:

Перед отъездом ознакомьтесь с нашим секвенированием всего генома!