strutture / ECOD

RCSB PDB; PDBe; PDBj

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In base all’omologia di sequenza, le DNA polimerasi possono essere ulteriormente suddivise in sette diverse famiglie: A, B, C, D, X, Y, e RT.

Alcuni virus codificano anche speciali DNA polimerasi, come la DNA polimerasi del virus dell’epatite B. Questi possono replicare selettivamente il DNA virale attraverso una varietà di meccanismi. I retrovirus codificano un’insolita DNA polimerasi chiamata trascrittasi inversa, che è una DNA polimerasi RNA-dipendente (RdDp). Polimerizza il DNA da un modello di RNA.

Polimerasi procarioticaEdit

Le polimerasi procariotiche esistono in due forme: polimerasi centrale e oloenzima. La polimerasi centrale sintetizza il DNA dal modello di DNA ma non può avviare la sintesi da sola o con precisione. L’oloenzima avvia accuratamente la sintesi.

Pol IEdit

Le polimerasi della famiglia procariotica A includono l’enzima DNA polimerasi I (Pol I), che è codificato dal gene polA e ubiquitario tra i procarioti. Questa polimerasi di riparazione è coinvolta nella riparazione per escissione con attività di esonucleasi da 3 “-5” e 5 “-3” e nell’elaborazione dei frammenti di Okazaki generati durante la sintesi del filamento in ritardo. La Pol I è la polimerasi più abbondante e rappresenta il > 95% dell’attività della polimerasi in E. coli; tuttavia sono state trovate cellule prive di Pol I suggerendo che l’attività di Pol I può essere sostituita dalle altre quattro polimerasi. Pol I aggiunge ~ 15-20 nucleotidi al secondo, mostrando così una scarsa processività. Invece, Pol I inizia ad aggiungere nucleotidi al primer dell’RNA: giunzione modello nota come origine della replicazione (ori). Circa 400 bp a valle dell’origine, l’oloenzima Pol III viene assemblato e assume la replicazione a una velocità e una natura altamente processive.

La taq polimerasi è un enzima stabile al calore di questa famiglia che manca di capacità di correzione di bozze.

Pol IIEdit

La DNA polimerasi II è una polimerasi della famiglia B codificata dal gene polB. Pol II ha attività esonucleasica 3 “–5” e partecipa alla riparazione del DNA, riavvio della replicazione per bypassare le lesioni e la sua presenza cellulare può passare da ~ 30-50 copie per cellula a ~ 200-300 durante l’induzione SOS. Si pensa anche che Pol II sia un backup di Pol III in quanto può interagire con le proteine dell’oloenzima e assumere un alto livello di processività. Si ritiene che il ruolo principale di Pol II sia la capacità di dirigere l’attività della polimerasi alla forcella di replicazione e ha contribuito a bloccare i disallineamenti terminali di bypass Pol III.

La Pfu DNA polimerasi è un enzima stabile al calore di questa famiglia che si trova in l’archeone ipertermofilo Pyrococcus furiosus. La classificazione dettagliata divide la famiglia B negli archei in B1, B2, B3, in cui B2 è un gruppo di pseudoenzimi. Pfu appartiene alla famiglia B3. Altri PolB trovati in archaea fanno parte di “Casposons”, trasposoni dipendenti da Cas1. Alcuni virus (incluso Φ29 DNA polimerasi) e plasmidi mitocondriali portano anche polB.

Pol IIIEdit

L’oloenzima della DNA polimerasi III è l’enzima principale coinvolto nella replicazione del DNA in E. coli e appartiene alla famiglia C polimerasi. Consiste di tre gruppi: il nucleo pol III, il fattore di processività del morsetto scorrevole beta e il complesso di caricamento del morsetto. Il nucleo è costituito da tre subunità: α, il centro di attività della polimerasi, ɛ, correttore di bozze esonucleolitico e θ, che può agire come stabilizzatore per ɛ. Il fattore di processività del morsetto scorrevole beta è anche presente in duplicato, uno per ogni nucleo, per creare un morsetto che racchiude il DNA consentendo un’elevata processività. Il terzo assemblaggio è un complesso di caricatore a pinza a sette subunità (τ2γδδ′χψ).

Il vecchio “modello di trombone” del libro di testo raffigura un complesso di allungamento con due equivalenti dell’enzima centrale a ciascuna forcella di replicazione (RF), uno per ogni filo, quello in ritardo e quello iniziale. Tuttavia, prove recenti da studi su singola molecola indicano una media di tre equivalenti stechiometrici dell’enzima core a ogni RF sia per Pol III che per la sua controparte in B. subtilis, PolC.La microscopia a fluorescenza all’interno delle cellule ha rivelato che la sintesi del filamento principale potrebbe non essere completamente continua e Pol III * (cioè, le subunità α, ε, τ, δ e χ dell’oloenzima senza il morsetto scorrevole ß2) ha un’alta frequenza di dissociazione dall’azione attiva RF. In questi studi, il tasso di rotazione della forcella di replica era di circa 10 secondi per Pol III *, 47 secondi per il morsetto scorrevole ß2 e 15 m per l’elicasi DnaB. Ciò suggerisce che l’elicasi DnaB può rimanere stabilmente associata a RF e servire come punto di nucleazione per l’oloenzima competente. Studi in vitro su singola molecola hanno dimostrato che Pol III * ha un alto tasso di turnover RF quando è in eccesso, ma rimane stabilmente associato a fork di replicazione quando la concentrazione è limitante. Un altro studio a molecola singola ha dimostrato che l’attività dell’elicasi della DnaB e l’allungamento del filamento possono procedere con una cinetica stocastica disaccoppiata.

Pol IVEdit

In E. coli, la DNA polimerasi IV (Pol IV) è una DNA polimerasi incline all’errore coinvolta nella mutagenesi non mirata. Pol IV è una polimerasi della famiglia Y espressa dal gene dinB che viene attivato tramite induzione SOS causata da polimerasi in stallo alla forcella di replicazione. Durante l’induzione SOS, la produzione di Pol IV è aumentata di dieci volte e una delle funzioni durante questo periodo è quella di interferire con la processività dell’oloenzima Pol III. Questo crea un checkpoint, arresta la replicazione e lascia il tempo per riparare le lesioni del DNA attraverso il percorso di riparazione appropriato. Un’altra funzione di Pol IV è quella di eseguire la sintesi di translesione alla forcella di replicazione in stallo come, ad esempio, bypassando gli addotti di N2-deossiguanina a una velocità più rapida rispetto alla traslazione del DNA non danneggiato. Le cellule prive del gene dinB hanno un tasso più elevato di mutagenesi causata da agenti dannosi per il DNA.

Pol VEdit

La DNA polimerasi V (Pol V) è una DNA polimerasi della famiglia Y che è coinvolta Risposta SOS e sintesi della translesione Meccanismi di riparazione del DNA. La trascrizione di Pol V tramite i geni umuDC è altamente regolata per produrre solo Pol V quando nella cellula è presente DNA danneggiato che genera una risposta SOS. Le polimerasi bloccate fanno sì che RecA si leghi al ssDNA, che causa l’autodigestione della proteina LexA. LexA perde quindi la sua capacità di reprimere la trascrizione dell’operone umuDC. La stessa nucleoproteina RecA-ssDNA modifica post-traduzionalmente la proteina UmuD in proteina UmuD “. UmuD e UmuD” formano un eterodimero che interagisce con UmuC, che a sua volta attiva l’attività catalitica della polimerasi di umuC sul DNA danneggiato. In E. coli, una polimerasi ” è stato proposto il modello “cintura portautensili” per la commutazione di pol III con pol IV in corrispondenza di una forcella di replicazione bloccata, dove entrambe le polimerasi si legano simultaneamente al β-clamp. Tuttavia, il coinvolgimento di più di una TLS polimerasi che lavora in successione per bypassare una lesione non è stato ancora dimostrato in E. coli. Inoltre, Pol IV può catalizzare sia l’inserimento che l’estensione con alta efficienza, mentre la pol V è considerata la principale polimerasi SOS TLS. Un esempio è il bypass del cross-link della guanina timina intra-filamento in cui è stato dimostrato sulla base della differenza nelle firme mutazionali delle due polimerasi, che pol IV e pol V competono per TLS del crosslink intra-filamento.

Family DEdit

Nel 1998, la famiglia D della DNA polimerasi è stata scoperta in Pyrococcus furiosus e Methanococcus jannaschii. Il complesso PolD è un eterodimero di due catene, ciascuna codificata da DP1 (piccola correzione di bozze) e DP2 (grande catalitico). A differenza di altre DNA polimerasi, la struttura e il meccanismo del nucleo catalitico DP2 assomigliano a quelli delle RNA polimerasi multi-subunità. L’interfaccia DP1-DP2 assomiglia a quella del dito di zinco della polimerasi di classe B eucariotica e della sua piccola subunità. DP1, un’esonucleasi simile a Mre11, è probabilmente il precursore della piccola subunità di Pol α e ε, fornendo capacità di correzione di bozze ora perse negli eucarioti. Il suo dominio HSH N-terminale è simile alle proteine AAA, in particolare la subunità Pol III δ e RuvB, nella struttura. DP2 ha un dominio KH di classe II. Il Pyrococcus abyssi polD è più stabile al calore e più preciso della Taq polimerasi, ma non è stato ancora commercializzato. È stato proposto che la DNA polimerasi della famiglia D sia stata la prima a evolversi in organismi cellulari e che la polimerasi replicativa dell’Ultimo Antenato Cellulare Universale (LUCA) appartenesse alla famiglia D.

DNA polimerasi eucarioticaEdit

Polimerasi β, λ, σ, μ (beta, lambda, sigma, mu) e TdTEdit

Le polimerasi della famiglia X contengono la ben nota polimerasi eucariotica pol β (beta), così come altri eucarioti polimerasi come Pol σ (sigma), Pol λ (lambda), Pol μ (mu) e Terminal deossinucleotidil transferasi (TdT). Le polimerasi della famiglia X si trovano principalmente nei vertebrati e alcune si trovano nelle piante e nei funghi. Queste polimerasi hanno regioni altamente conservate che includono due motivi elica-forcina-elica che sono imperativi nelle interazioni DNA-polimerasi. Un motivo si trova nel dominio 8 kDa che interagisce con il DNA a valle e un motivo si trova nel dominio del pollice che interagisce con il filamento del primer.Pol β, codificato dal gene POLB, è necessario per la riparazione dell’escissione della base a patch corto, un percorso di riparazione del DNA che è essenziale per riparare le basi alchilate o ossidate e i siti abasici. Pol λ e Pol μ, codificati rispettivamente dai geni POLL e POLM, sono coinvolti nell’unione delle estremità non omologhe, un meccanismo per ricongiungere le rotture del doppio filamento del DNA dovute rispettivamente al perossido di idrogeno e alle radiazioni ionizzanti. TdT è espresso solo nel tessuto linfoide e aggiunge “n nucleotidi” alle rotture a doppio filamento formate durante la ricombinazione V (D) J per promuovere la diversità immunologica.

Polimerasi α, δ e ε (alfa, delta, ed epsilon) Modifica

Pol α (alfa), Pol δ (delta) e Pol ε (epsilon) sono membri della famiglia B Polimerasi e sono le principali polimerasi coinvolte nella replicazione del DNA nucleare. Il complesso Pol α (complesso pol α-DNA primasi) è costituito da quattro subunità: la subunità catalitica POLA1, la subunità regolatrice POLA2 e le subunità primasi piccola e grande PRIM1 e PRIM2 rispettivamente. Una volta che la primasi ha creato il primer RNA, Pol α inizia la replicazione allungando il primer con ~ 20 nucleotidi. A causa della sua elevata processività, Pol δ assume la sintesi del filamento principale e in ritardo di Pol α.: 218–219 Pol δ è espresso dai geni POLD1, creando la subunità catalitica, POLD2, POLD3 e POLD4 creando le altre subunità che interagiscono con Proliferating Cell Nuclear Antigen (PCNA), che è un morsetto del DNA che consente a Pol δ di possedere la processività. Pol ε è codificato dal POLE1, la subunità catalitica, dal gene POLE2 e dal gene POLE3. È stato riportato che la funzione di Pol ε è quella di estendere il filamento principale durante la replicazione, mentre Pol δ replica principalmente il filamento in ritardo; tuttavia, prove recenti suggeriscono che Pol δ potrebbe avere un ruolo anche nella replica del filamento principale del DNA. La regione pol ε “s C-terminus” polimerasi relic “, nonostante non sia necessaria per l’attività della polimerasi, è ritenuta essenziale per la vitalità cellulare. Si ritiene che la regione C-terminus fornisca un punto di controllo prima di entrare in anafase, fornisca stabilità all’oloenzima, e aggiungere proteine all’oloenzima necessario per l’inizio della replicazione. Pol ε ha un dominio “palmo” più grande che fornisce un’elevata processività indipendentemente dal PCNA.

Rispetto ad altre polimerasi della famiglia B, la famiglia delle esonucleasi DEDD responsabile della correzione di bozze è inattivato in Pol α. Pol ε è unico in quanto ha due domini del dito di zinco e una copia inattiva di un’altra polimerasi della famiglia B nel suo terminale C. La presenza di questo dito di zinco ha implicazioni nelle origini di Eukaryota, che in questo case viene inserito nel gruppo Asgard con la polimerasi B3 arcaica.

Polimerasi η, ι e κ (eta, iota e kappa) Modifica

Pol η (eta), Pol ι ( iota) e Pol κ (kappa), sono DNA polimerasi della famiglia Y coinvolte nel D Riparazione di NA mediante sintesi per translesione e codificata rispettivamente dai geni POLH, POLI e POLK. I membri della famiglia Y hanno cinque motivi comuni per aiutare a legare il substrato e il terminale del primer e tutti includono i tipici domini del pollice, del palmo e del dito della mano destra con domini aggiunti come il mignolo (LF), il dominio associato alla polimerasi (PAD) o polso. Il sito attivo, tuttavia, differisce tra i membri della famiglia a causa delle diverse lesioni riparate. Le polimerasi nella famiglia Y sono polimerasi a bassa fedeltà, ma hanno dimostrato di fare più bene che male poiché le mutazioni che colpiscono la polimerasi possono causare varie malattie, come il cancro della pelle e Xeroderma Pigmentosum Variant (XPS). L’importanza di queste polimerasi è evidenziata dal fatto che il gene che codifica per la DNA polimerasi η è indicato come XPV, poiché la perdita di questo gene provoca la malattia Xeroderma Pigmentosum Variant. Pol η è particolarmente importante per consentire una sintesi di translesione accurata del danno al DNA derivante dalla radiazione ultravioletta. La funzionalità di Pol κ non è completamente compresa, ma i ricercatori hanno trovato due probabili funzioni. Si pensa che Pol κ agisca come un estensore o un inseritore di una base specifica in determinate lesioni del DNA. Tutte e tre le polimerasi di sintesi della translesione, insieme a Rev1, vengono reclutate per lesioni danneggiate tramite DNA polimerasi replicative in stallo. Esistono due percorsi di riparazione del danno che portano i ricercatori a concludere che il percorso scelto dipende da quale filo contiene il danno, il filo iniziale o in ritardo.

Polimerasi Rev1 e ζ (zeta) Modifica

Pol ζ un’altra polimerasi della famiglia B, è composta da due subunità Rev3, la subunità catalitica, e Rev7 (MAD2L2), che aumenta la funzione catalitica della polimerasi ed è coinvolta nella sintesi della translesione. Pol ζ manca di attività di esonucleasi da 3 “a 5”, è unico in quanto può estendere i primer con disallineamenti terminali. Rev1 ha tre regioni di interesse nel dominio BRCT, nel dominio di legame all’ubiquitina e nel dominio C-terminale e ha la capacità di transferasi dCMP, che aggiunge lesioni opposte alla deossicitidina che bloccherebbero le polimerasi replicative Pol δ e Pol ε.Queste polimerasi in stallo attivano complessi ubiquitina che a loro volta dissociano le polimerasi di replicazione e reclutano Pol ζ e Rev1. Insieme Pol ζ e Rev1 aggiungono deossicitidina e Pol ζ si estende oltre la lesione. Attraverso un processo ancora indeterminato, Pol ζ si dissocia e le polimerasi di replicazione si riassociano e continuano la replicazione. Pol ζ e Rev1 non sono necessari per la replicazione, ma la perdita del gene REV3 nel lievito in erba può causare una maggiore sensibilità agli agenti che danneggiano il DNA a causa del collasso delle forcelle di replicazione in cui le polimerasi di replicazione si sono fermate.

TelomeraseEdit

La telomerasi è una ribonucleoproteina che funziona per replicare le estremità dei cromosomi lineari poiché la normale DNA polimerasi non può replicare le estremità, o telomeri. La sporgenza a filamento singolo di 3 “del cromosoma a doppio filamento con la sequenza 5” -TTAGGG-3 “recluta la telomerasi. La telomerasi agisce come le altre DNA polimerasi estendendo l’estremità da 3”, ma, a differenza di altre DNA polimerasi, la telomerasi non richiede Un modello. La subunità TERT, un esempio di trascrittasi inversa, utilizza la subunità RNA per formare la giunzione primer-templato che consente alla telomerasi di estendere l’estremità di 3 “delle estremità cromosomiche. La graduale diminuzione delle dimensioni dei telomeri come risultato di molte repliche su un si pensa che la durata della vita sia associata agli effetti dell’invecchiamento.:248–249

Polimerasi γ, θ e ν (gamma, theta e nu) Modifica

Pol γ (gamma), Pol θ (theta) e Pol ν (nu) sono polimerasi della famiglia A. Pol γ, codificato dal gene POLG, è stato a lungo considerato l’unica polimerasi mitocondriale. , una recente ricerca mostra che almeno Pol β (beta), una polimerasi della Famiglia X, è presente anche nei mitocondri. Qualsiasi mutazione che porta a Pol γ limitato o non funzionante ha un effetto significativo sul mtDNA ed è la causa più comune di autosomica malattie mitocondriali ereditarie. Pol γ contiene un dominio della polimerasi C-terminale e un dominio esonucleasico N-terminale 3 “–5” che sono collegato tramite la regione del linker, che lega la subunità accessoria. La subunità accessoria lega il DNA ed è necessaria per la processività di Pol γ. La mutazione puntiforme A467T nella regione del linker è responsabile di più di un terzo di tutti i disturbi mitocondriali associati a Pol γ. Mentre molti omologhi di Pol θ, codificati dal gene POLQ, si trovano negli eucarioti, la sua funzione non è chiaramente compresa. La sequenza di amminoacidi nel C-terminale è ciò che classifica Pol θ come polimerasi della Famiglia A, sebbene il tasso di errore per Pol θ sia più strettamente correlato alle polimerasi della Famiglia Y. Pol θ estende i terminali dei primer non corrispondenti e può bypassare i siti abasici aggiungendo un nucleotide. Ha anche attività deossiribofosfodiesterasi (dRPasi) nel dominio della polimerasi e può mostrare l’attività dell’ATPasi in prossimità di ssDNA. Pol ν (nu) è considerato il meno efficace degli enzimi polimerasi. Tuttavia, la DNA polimerasi nu svolge un ruolo attivo nella riparazione dell’omologia durante le risposte cellulari ai legami crociati, svolgendo il suo ruolo in un complesso con l’elicasi.

Le piante utilizzano due polimerasi della famiglia A per copiare i genomi mitocrondriali e plastidi. Sono più simili alla Pol I batterica che alla Pol γ mamalliana.

Transcrittasi inversaEdit

I retrovirus codificano un’insolita DNA polimerasi chiamata trascrittasi inversa, che è una DNA polimerasi RNA-dipendente (RdDp) che sintetizza il DNA da un modello di RNA. La famiglia della trascrittasi inversa contiene sia la funzionalità della DNA polimerasi che la funzionalità RNasi H, che degrada l’RNA accoppiato in base al DNA. Un esempio di retrovirus è l’HIV: la trascrittasi inversa è comunemente impiegata nell’amplificazione dell’RNA per scopi di ricerca. Utilizzando un modello di RNA, la PCR può utilizzare la trascrittasi inversa, creando un modello di DNA. Questo nuovo modello di DNA può quindi essere utilizzato per la tipica amplificazione PCR. I prodotti di tale esperimento sono quindi prodotti PCR amplificati dall’RNA.

Ogni particella di retrovirus dell’HIV contiene due genomi di RNA, ma, dopo un’infezione, ogni virus genera un solo provirus. Dopo l’infezione, la trascrizione inversa è accompagnata dal passaggio del modello tra le due copie del genoma (ricombinazione a scelta della copia). Ad ogni ciclo di replicazione si verificano da 5 a 14 eventi di ricombinazione per genoma. Il cambio di modello (ricombinazione) sembra essere necessario per mantenere l’integrità del genoma e come meccanismo di riparazione per il salvataggio dei genomi danneggiati.

DNA polimerasi T4 del batteriofagoEdit

Il batteriofago (fago) T4 codifica una DNA polimerasi che catalizza la sintesi del DNA in una direzione da 5 ‘a 3’. La fago polimerasi ha anche un’attività esonucleasica che agisce in una direzione da 3 ‘a 5’, e questa attività è impiegata nella correzione di bozze e nell’editing di basi appena inserite. È stato osservato che un mutante fago con una DNA polimerasi sensibile alla temperatura, quando cresciuto a temperature permissive, subisce ricombinazione a frequenze che sono circa due volte superiori a quella del fago wild-type.

È stato proposto che un’alterazione mutazionale nella DNA fagica polimerasi possa stimolare la commutazione del filamento modello (ricombinazione a scelta di copia) durante la replicazione.