Struktury / ECOD

RCSB PDB; PDBe; PDBj

podsumowanie struktury

Struktury / ECOD

RCSB PDB; PDBe; PDBj

podsumowanie struktury

Struktury / ECOD

PDB

RCSB PDB; PDBe; PDBj

podsumowanie struktury

Na podstawie homologii sekwencji polimerazy DNA można dalej podzielić na siedem różnych rodzin: A, B, C, D, X, Y, i RT.

Niektóre wirusy kodują również specjalne polimerazy DNA, takie jak polimeraza DNA wirusa zapalenia wątroby typu B. Mogą one selektywnie replikować wirusowe DNA poprzez różne mechanizmy. Retrowirusy kodują niezwykłą polimerazę DNA zwaną odwrotną transkryptazą, która jest polimerazą DNA zależną od RNA (RdDp). Polimeryzuje DNA z matrycy RNA.

Polimeraza prokariotycznaEdit

Polimerazy prokariotyczne występują w dwóch formach: polimeraza rdzeniowa i holoenzym. Polimeraza rdzeniowa syntetyzuje DNA z matrycy DNA, ale nie może samodzielnie lub dokładnie zainicjować syntezy. Holoenzym dokładnie inicjuje syntezę.

Pol IEdit

Rodzina prokariotów Polimerazy A obejmują enzym polimerazę DNA I (Pol I), który jest kodowany przez gen polA i jest wszechobecny wśród prokariotów. Ta naprawcza polimeraza bierze udział w naprawie przez wycinanie z aktywnością egzonukleazy 3 „–5” i 5 „–3” oraz obróbce fragmentów Okazaki wytworzonych podczas syntezy nici opóźniającej. Pol I jest najbardziej rozpowszechnioną polimerazą, odpowiadającą za > 95% aktywności polimerazy w E. coli; jednak komórki pozbawione Pol I zostały znalezione, co sugeruje, że aktywność Pol I można zastąpić innymi czterema polimerazami. Pol I dodaje ~ 15-20 nukleotydów na sekundę, przez co wykazuje słabą przetwarzalność. Zamiast tego Pol I zaczyna dodawać nukleotydy w miejscu starter RNA: złącze matrycy, znane jako początek replikacji (ori). Około 400 pz poniżej źródła, holoenzym Pol III jest składany i przejmuje replikację z dużą szybkością procesową i naturą.

Polimeraza Taq jest termostabilnym enzymem z tej rodziny, któremu brakuje zdolności do korekty.

Pol IIEdit

Polimeraza DNA II to polimeraza z rodziny B kodowana przez gen polB. Pol II ma aktywność egzonukleazy 3 „–5” i uczestniczy w naprawie DNA, wznowie replikacji w celu ominięcia uszkodzeń, a jego obecność komórkowa może przeskoczyć z ~ 30-50 kopii na komórkę do ~ 200-300 podczas indukcji SOS. Uważa się również, że Pol II jest kopią zapasową dla Pol III, ponieważ może wchodzić w interakcje z białkami holoenzymów i przyjmować wysoki poziom procesywności. Uważa się, że główną rolą Pol II jest zdolność do kierowania aktywnością polimerazy w widełkach replikacyjnych i pomoc w zablokowaniu niedopasowań końcowych ominięcia Pol III.

Polimeraza DNA Pfu jest termostabilnym enzymem z tej rodziny, występującym w archeon hipertermofilny Pyrococcus furiosus. Szczegółowa klasyfikacja dzieli rodzinę B archeonów na B1, B2, B3, w których B2 to grupa pseudoenzymów. Pfu należy do rodziny B3. Inne polB znalezione w archeonach są częścią „kaspozonów”, transpozonów zależnych od Cas1. Niektóre wirusy (w tym polimeraza DNA Φ29) i plazmidy mitochondrialne również przenoszą polB.

Pol IIIEdit

Holoenzym polimerazy DNA III jest głównym enzymem biorącym udział w replikacji DNA w E. coli i należy do do polimerazy z rodziny C. Składa się z trzech zespołów: rdzenia pol III, współczynnika procesowości zacisku przesuwnego beta i kompleksu zaciskania. Rdzeń składa się z trzech podjednostek: α, centrum aktywności polimerazy, ɛ, korektora egzonukleolitycznego i θ, które mogą działać jako stabilizator dla ɛ. Współczynnik procesowości przesuwnego zacisku beta jest również obecny w dwóch egzemplarzach, po jednym dla każdego rdzenia, aby utworzyć zacisk, który otacza DNA, umożliwiając wysoką procesowość. Trzeci zespół to kompleks składający się z siedmiu podjednostek (τ2γδδ′χψ).

Stary podręcznikowy „model puzonu” przedstawia kompleks wydłużenia z dwoma równoważnikami enzymu rdzeniowego w każdym widełkach replikacyjnych (RF), po jednym na każdy wątek, opóźniony i wiodący. Jednak ostatnie dowody z badań pojedynczych cząsteczek wskazują, że średnio trzy równoważniki stechiometryczne enzymu rdzeniowego w każdym RF zarówno dla Pol III, jak i jego odpowiednika w B. subtilis, PolC.Mikroskopia fluorescencyjna w komórkach wykazała, że synteza wiodącej nici może nie być całkowicie ciągła, a Pol III * (tj. Podjednostki holoenzymu α, ε, τ, δ i χ bez przesuwnego zacisku ß2) ma wysoką częstotliwość dysocjacji od aktywnej RF. W tych badaniach szybkość obrotu widełek replikacyjnych wynosiła około 10 s dla Pol III *, 47 s dla zacisku przesuwnego ß2 i 15 m dla helikazy DnaB. Sugeruje to, że helikaza DnaB może pozostawać stabilnie związana w RF i służyć jako punkt zarodkowania dla kompetentnego holoenzymu. Badania pojedynczych cząsteczek in vitro wykazały, że Pol III * ma wysoki wskaźnik obrotu RF, gdy jest nadmierny, ale pozostaje stabilnie związany z widełkami replikacyjnymi, gdy stężenie jest ograniczające. Inne badanie jednocząsteczkowe wykazało, że aktywność helikazy DnaB i wydłużenie nici mogą przebiegać z rozłączoną, stochastyczną kinetyką.

Pol IVEdit

W E. coli polimeraza DNA IV (Pol IV) jest podatna na błędy polimeraza DNA zaangażowana w niecelowaną mutagenezę. Pol IV to polimeraza z rodziny Y wyrażana przez gen dinB, który jest włączany poprzez indukcję SOS spowodowaną przez zablokowane polimerazy w widełkach replikacyjnych. Podczas indukcji SOS produkcja Pol IV wzrasta dziesięciokrotnie, a jedną z funkcji w tym czasie jest zakłócanie procesu holoenzymu Pol III. Tworzy to punkt kontrolny, zatrzymuje replikację i daje czas na naprawę uszkodzeń DNA poprzez odpowiednią ścieżkę naprawy. Inną funkcją Pol IV jest przeprowadzanie syntezy translesionu na zablokowanym widełkach replikacyjnych, jak na przykład omijanie adduktów N2-deoksyguaniny z większą szybkością niż poprzeczne nieuszkodzone DNA. Komórki pozbawione genu dinB mają wyższy wskaźnik mutagenezy spowodowanej przez czynniki uszkadzające DNA.

Pol VEdit

Polimeraza DNA V (Pol V) jest polimerazą DNA z rodziny Y, która bierze udział w Odpowiedź SOS i mechanizmy naprawy DNA syntezy translesionu. Transkrypcja Pol V przez geny umuDC jest w dużym stopniu regulowana, aby wytwarzać tylko Pol V, gdy uszkodzony DNA jest obecny w komórce, generując odpowiedź SOS. Zatrzymane polimerazy powodują, że RecA wiąże się z ssDNA, co powoduje autodestrawę białka LexA. LexA traci wtedy zdolność tłumienia transkrypcji operonu umuDC. Ta sama nukleoproteina RecA-ssDNA modyfikuje potranslacyjnie białko UmuD w „białko UmuD. UmuD i UmuD” tworzą heterodimer, który oddziałuje z UmuC, co z kolei aktywuje katalityczną aktywność polimerazy umuC na uszkodzonym DNA. W E. coli polimeraza ” Zaproponowano model pasa narzędziowego do przełączania bieguna III na biegun IV przy zablokowanym widełkach replikacyjnych, w których obie polimerazy wiążą się jednocześnie z β-klamrą. Jednak udział więcej niż jednej polimerazy TLS działającej kolejno w celu ominięcia zmiany nie został jeszcze wykazany u E. coli. Ponadto Pol IV może katalizować zarówno insercję, jak i wydłużanie z wysoką wydajnością, podczas gdy pol V jest uważany za główną polimerazę SOS TLS. Jednym z przykładów jest obejście wewnątrz niciowego usieciowania tyminy guaniny, gdzie wykazano na podstawie różnicy w sygnaturach mutacji dwóch polimeraz, że pol IV i pol V konkurują o TLS wewnątrz niciowego usieciowania.

Rodzina DEdit

W 1998 roku rodzina D polimerazy DNA została odkryta u Pyrococcus furiosus i Methanococcus jannaschii. Kompleks PolD jest heterodimerem dwóch łańcuchów, z których każdy jest kodowany przez DP1 (mała korekta) i DP2 (duża katalityczna). W przeciwieństwie do innych polimeraz DNA, struktura i mechanizm rdzenia katalitycznego DP2 przypominają wielopodjednostkowe polimerazy RNA. Interfejs DP1-DP2 jest podobny do interfejsu cynkowego palca polimerazy Eukariotycznej klasy B i jego małej podjednostki. DP1, egzonukleaza podobna do Mre11, jest prawdopodobnie prekursorem małej podjednostki Pol α i ε, zapewniając możliwości korekty utracone obecnie u eukariontów. Jej N-końcowa domena HSH jest podobna strukturą do białek AAA, zwłaszcza podjednostki Pol III δ i RuvB. DP2 ma domenę KH klasy II. Pyrococcus abyssi polD jest bardziej stabilny termicznie i dokładniejszy niż polimeraza Taq, ale nie został jeszcze skomercjalizowany. Zaproponowano, że polimeraza DNA z rodziny D była pierwszą, która ewoluowała w organizmach komórkowych i że replikacyjna polimeraza ostatniego uniwersalnego przodka komórkowego (LUCA) należała do rodziny D.

Eukariotyczna polimeraza DNAEdit

Polimerazy β, λ, σ, μ (beta, lambda, sigma, mu) i TdTEdit

Polimerazy z rodziny X zawierają dobrze znaną eukariotyczną polimerazę pol β (beta), a także inne eukariotyczne polimerazy, takie jak Pol σ (sigma), Pol λ (lambda), Pol μ (mu) i terminalna transferaza deoksynukleotydylowa (TdT). Polimerazy z rodziny X występują głównie u kręgowców, a kilka z nich można znaleźć w roślinach i grzybach. Te polimerazy mają wysoce konserwatywne regiony, które zawierają dwa motywy helika-spinka do włosów-helisa, które są niezbędne w interakcjach DNA-polimeraza. Jeden motyw znajduje się w domenie 8 kDa, która oddziałuje z dolnym DNA, a jeden motyw znajduje się w domenie kciuka, która oddziałuje z nicią startera.Pol β, kodowany przez gen POLB, jest wymagany do naprawy przez wycinanie zasad w krótkim miejscu, szlaku naprawy DNA, który jest niezbędny do naprawy zasad alkilowanych lub utlenionych, a także miejsc bezzasadowych. Pol λ i Pol μ, kodowane odpowiednio przez geny POLL i POLM, biorą udział w niehomologicznym łączeniu końców, czyli mechanizmie ponownego łączenia się pęknięć podwójnej nici DNA, spowodowanych odpowiednio nadtlenkiem wodoru i promieniowaniem jonizującym. TdT ulega ekspresji tylko w tkance limfoidalnej i dodaje „n nukleotydów” do pęknięć dwuniciowych powstałych podczas rekombinacji V (D) J w celu promowania różnorodności immunologicznej.

Polimerazy α, δ i ε (alfa, delta, i epsilon) Edytuj

Pol α (alfa), Pol δ (delta) i Pol ε (epsilon) są członkami polimerazy z rodziny B i są głównymi polimerazami zaangażowanymi w replikację jądrowego DNA. Kompleks pol α (kompleks pol α-DNA primazy) składa się z czterech podjednostek: podjednostki katalitycznej POLA1, podjednostki regulatorowej POLA2 oraz odpowiednio małej i dużej podjednostki prymazy PRIM1 i PRIM2. Gdy prymaza utworzy starter RNA, Pol α rozpoczyna replikację wydłużając starter o ~ 20 nukleotydów. Ze względu na wysoką procesywność Pol δ przejmuje wiodącą i opóźnioną syntezę nici Pol α.: 218–219 Pol δ jest wyrażany przez geny POLD1, tworząc podjednostkę katalityczną POLD2, POLD3 i POLD4 tworząc inne podjednostki, które oddziałują z Proliferating Cell Nuclear Antigen (PCNA), który jest klamrą DNA, która pozwala Pol δ na posiadanie procesywności. Pol ε jest kodowany przez POLE1, podjednostkę katalityczną, gen POLE2 i POLE3. Donoszono, że funkcją Pol ε jest wydłużanie wiodącej nici podczas replikacji, podczas gdy Pol δ jest głównie replikacją opóźnionej nici; jednakże ostatnie dowody sugerują, że Pol δ może również odgrywać rolę w replikacji wiodącej nici DNA. Uważa się, że region „polimerazy reliktowej” Pol ε „końca C”, mimo że jest niepotrzebny dla aktywności polimerazy, ma zasadnicze znaczenie dla żywotności komórki. Uważa się, że region C-końca stanowi punkt kontrolny przed wejściem do anafazy, zapewnia stabilność holoenzymu, i dodać białka do holoenzymu niezbędnego do zainicjowania replikacji. Pol ε ma większą domenę „dłoniową”, która zapewnia wysoką przetwarzalność niezależnie od PCNA.

W porównaniu z innymi polimerazami z rodziny B, rodzina egzonukleaz DEDD odpowiedzialna za korektę jest inaktywowany w Pol α. Pol ε jest wyjątkowy, ponieważ ma dwie domeny palca cynkowego i nieaktywną kopię innej polimerazy z rodziny B na końcu C. Obecność tego palca cynkowego ma wpływ na pochodzenie Eukariota, który w tym przypadek jest umieszczony w grupie Asgard z archeowalną polimerazą B3.

Polimerazy η, ι i κ (eta, iota i kappa) Edytuj

Pol η (eta), Pol ι ( iota) i Pol κ (kappa) są polimerazami DNA rodziny Y zaangażowanymi w D Naprawa NA przez syntezę translesionową i kodowane odpowiednio przez geny POLH, POLI i POLK. Członkowie rodziny Y mają pięć wspólnych motywów, które pomagają w wiązaniu substratu i końca startera i wszystkie obejmują typowe domeny kciuka, dłoni i palca prawej ręki z dodanymi domenami, takimi jak mały palec (LF), domena związana z polimerazą (PAD) lub nadgarstek. Jednak miejsce aktywne różni się u poszczególnych członków rodziny z powodu różnych naprawianych uszkodzeń. Polimerazy z rodziny Y są polimerazami o niskiej wierności, ale udowodniono, że wyrządzają więcej pożytku niż szkody, ponieważ mutacje wpływające na polimerazę mogą powodować różne choroby, takie jak rak skóry i Xeroderma Pigmentosum Variant (XPS). O znaczeniu tych polimeraz świadczy fakt, że gen kodujący polimerazę DNA η określa się jako XPV, ponieważ utrata tego genu powoduje chorobę Xeroderma Pigmentosum Variant. Pol η jest szczególnie ważne dla umożliwienia dokładnej syntezy translesionowej uszkodzeń DNA wynikających z promieniowania ultrafioletowego. Funkcjonalność Pol κ nie jest do końca poznana, ale naukowcy odkryli dwie prawdopodobne funkcje. Uważa się, że Pol κ działa jako przedłużacz lub wprowadzający specyficzną zasadę w niektórych uszkodzeniach DNA. Wszystkie trzy polimerazy syntezy translesionowej, wraz z Rev1, są rekrutowane do uszkodzonych zmian chorobowych przez zablokowane replikacyjne polimerazy DNA. Istnieją dwie ścieżki naprawy uszkodzeń, prowadzące badaczy do wniosku, że wybrana ścieżka zależy od tego, która nić zawiera uszkodzenie, nić wiodącą lub opóźniającą.

Polimerazy Rev1 i ζ (zeta) Edytuj

Pol ζ inna polimeraza z rodziny B składa się z dwóch podjednostek Rev3, podjednostki katalitycznej i Rev7 (MAD2L2), która zwiększa katalityczną funkcję polimerazy i bierze udział w syntezie translesionu. Pol ζ nie ma aktywności egzonukleazy 3 „do 5”, jest wyjątkowy, ponieważ może wydłużyć startery z niedopasowaniami końcowymi. Rev1 ma trzy interesujące regiony w domenie BRCT, domenie wiążącej ubikwitynę i domenie C-końcowej i ma zdolność do transferazy dCMP, która dodaje przeciwległe uszkodzenia deoksycytydyny, które zatrzymałyby replikacyjne polimerazy Pol δ i Pol ε.Te zablokowane polimerazy aktywują kompleksy ubikwityny, które z kolei odłączają polimerazy replikacyjne i rekrutują Pol ζ i Rev1. Pol ζ i Rev1 razem dodają dezoksycytydynę, a Pol ζ wystaje poza zmianę. W ramach jeszcze nieokreślonego procesu Pol ζ dysocjuje, a polimerazy replikacyjne ponownie łączą się i kontynuują replikację. Pol ζ i Rev1 nie są wymagane do replikacji, ale utrata genu REV3 w pączkujących drożdżach może powodować zwiększoną wrażliwość na czynniki uszkadzające DNA z powodu zapadnięcia widełek replikacyjnych, w których zatrzymały się polimerazy replikacyjne.

TelomeraseEdit

Telomeraza jest rybonukleoproteiną, która działa w celu replikacji końców liniowych chromosomów, ponieważ normalna polimeraza DNA nie może replikować końców ani telomerów. Jednoniciowy 3 „wystający fragment chromosomu dwuniciowego z sekwencją 5” -TTAGGG-3 „rekrutuje telomerazę. Telomeraza działa jak inne polimerazy DNA, wydłużając koniec 3”, ale w przeciwieństwie do innych polimeraz DNA telomeraza nie wymaga szablon. Podjednostka TERT, przykład odwrotnej transkryptazy, wykorzystuje podjednostkę RNA do utworzenia połączenia starter-matryca, które umożliwia telomerazie wydłużenie 3-calowego końca chromosomu. Stopniowe zmniejszanie się wielkości telomerów w wyniku wielu replikacji na Uważa się, że żywotność jest związana ze skutkami starzenia.:248–249

Polimerazy γ, θ i ν (gamma, theta i nu) Edytuj

Pol γ (gamma), Pol θ (theta) i Pol ν (nu) to polimerazy z rodziny A. Pol γ, kodowany przez gen POLG, był przez długi czas uważany za jedyną polimerazę mitochondrialną. ostatnie badania pokazują, że co najmniej Pol β (beta), polimeraza z rodziny X, jest również obecna w mitochondriach. Każda mutacja prowadząca do ograniczonego lub niedziałającego Pol γ ma istotny wpływ na mtDNA i jest najczęstszą przyczyną autosomalnego dziedziczne zaburzenia mitochondrialne. Pol γ zawiera domenę polimerazy na końcu C i domenę egzonukleazy 3 „–5” na końcu N, które są połączone przez region łącznika, który wiąże podjednostkę pomocniczą. Podjednostka pomocnicza wiąże DNA i jest niezbędna do przetwarzania Pol γ. Mutacja punktowa A467T w regionie łącznika jest odpowiedzialna za ponad jedną trzecią wszystkich zaburzeń mitochondrialnych związanych z Pol γ. Chociaż wiele homologów Pol θ, kodowanych przez gen POLQ, znajduje się u eukariotów, jego funkcja nie jest do końca poznana. Sekwencja aminokwasów na C-końcu jest tym, co klasyfikuje Pol θ jako polimerazę z rodziny A, chociaż poziom błędu dla Pol θ jest ściślej powiązany z polimerazami z rodziny Y. Pol θ wydłuża niedopasowane końce starterów i może ominąć miejsca bezzasadowe poprzez dodanie nukleotydu. Ma również aktywność deoksyrybo-fosfodiesterazy (dRPazy) w domenie polimerazy i może wykazywać aktywność ATPazy w bliskim sąsiedztwie ssDNA. Pol ν (nu) jest uważany za najmniej skuteczny z enzymów polimerazy. Jednak polimeraza DNA nu odgrywa aktywną rolę w naprawie homologii podczas odpowiedzi komórkowych na wiązania krzyżowe, pełniąc swoją rolę w kompleksie z helikazą.

Rośliny wykorzystują dwie polimerazy z rodziny A do kopiowania genomów mitochrondrialnego i plastydowego. Są bardziej podobne do bakteryjnego Pol I niż do ssaczego Pol γ.

Odwrotna transkryptazaEdit

Retrowirusy kodują niezwykłą polimerazę DNA zwaną odwrotną transkryptazą, która jest polimerazą DNA zależną od RNA (RdDp), który syntetyzuje DNA z matrycy RNA. Rodzina odwrotnej transkryptazy zawiera zarówno funkcjonalność polimerazy DNA, jak i funkcjonalność RNazy H, która degraduje sparowane zasady RNA z DNA. Przykładem retrowirusa jest HIV .: Odwrotna transkryptaza jest powszechnie stosowana w amplifikacji RNA do celów badawczych. Używając matrycy RNA, PCR może wykorzystywać odwrotną transkryptazę, tworząc matrycę DNA. Ta nowa matryca DNA może być następnie użyta do typowej amplifikacji PCR. Produktami takiego eksperymentu są zatem zamplifikowane produkty PCR z RNA.

Każda cząstka retrowirusa HIV zawiera dwa genomy RNA, ale po infekcji każdy wirus generuje tylko jednego prowirusa. Po zakażeniu odwrotnej transkrypcji towarzyszy przełączanie matrycy między dwiema kopiami genomu (rekombinacja wyboru kopii). W każdym cyklu replikacji występuje od 5 do 14 zdarzeń rekombinacyjnych na genom. Wydaje się, że przełączanie szablonów (rekombinacja) jest konieczne do utrzymania integralności genomu i jako mechanizm naprawy ratowania uszkodzonych genomów.

Polimeraza DNA bakteriofaga T4Edit

Bakteriofag (fag) T4 koduje polimerazę DNA który katalizuje syntezę DNA w kierunku od 5 'do 3′. Polimeraza fagowa ma również aktywność egzonukleazy, która działa w kierunku od 3 'do 5′ i ta aktywność jest wykorzystywana do korekty i edycji nowo wstawionych zasad. Zaobserwowano, że mutant faga z wrażliwą na temperaturę polimerazą DNA, hodowany w dopuszczalnych temperaturach, ulega rekombinacji z częstotliwościami około dwukrotnie wyższymi niż faga typu dzikiego.

Zaproponowano, że mutacyjna zmiana polimerazy DNA faga może stymulować przełączanie nici matrycowej (rekombinacja z wyborem kopii) podczas replikacji.