Definice
DNA polymeráza je důležitá skupina enzymů zapojených do syntézy, opravy a replikace DNA; tyto enzymy se nacházejí ve všech živých organismech. Původně objeven během výzkumu bakterií Escherichia coli, nyní víme o několika odrůdách s podobnými strukturami, ale různými funkcemi. Tyto odrůdy jsou seskupeny do rodin podle funkce a používají se také v oblasti genetického inženýrství.
funkce DNA polymerázy
DNA polymeráza má v mechanismech syntézy DNA různé role, opravy a replikace. DNA polymeráza je rozdělena do sedmi různých rodin u eukaryot, virů, kvasinek a bakterií. Těchto sedm rodin je A, B, C, D, X, Y a reverzní transkriptáza (RT). Budoucí výzkum může objevit další skupiny.
Každá z těchto rodin obsahuje podmnožinu DNA polymeráz, které mají vlastní řadu funkcí. Například DNA polymeráza I je členem rodiny A; DNA polymeráza IV nebo DinB je členem rodiny X. Nebudete si muset pamatovat každé jméno, ale základní funkce na skupinu vám také pomůže lépe porozumět syntéze bílkovin, genové mutaci a modifikaci genů.
Struktura DNA polymerázy je přirovnávána k pravé ruce dlaní, prsty a palcem. Dokážete si představit řetězec DNA pohybující se molekulou DNA polymerázy jako páska psacím strojem. Jednoduše řečeno, prsty pomáhají pečlivě umístit rozepnutý řetězec DNA rozpoznáním nukleotidů, dlaň je aktivním místem, kde dochází k fosforylaci (přidání fosfátové kostry), a palec při výstupu váže DNA do dvojité šroubovice molekula DNA polymerázy. Ale ne všechny rodiny DNA polymeráz mají stejné strukturní složky. Podívejme se na různé rodiny trochu podrobněji.
Polymerase Family A
Rodina A je skupina DNA replikace nebo DNA opravných enzymů. Při replikaci DNA spojují nukleotidovou bázi se správným partnerem. To je nutné, kdykoli se buňka připravuje na rozdělení a jednovláknový chromozom se duplikuje, takže obě buňky, matka i dcera, mají úplnou sadu DNA.
Pokud má být vytvořena kopie DNA, molekuly DNA polymerázy přejdou po rozbaleném řetězci templátu a zkopírují ji opačnými nukleotidy. Tak vznikne přesná kopie kódujícího řetězce DNA. Různé enzymy rodiny A pomáhají při opravách DNA – kontrolují nově vyrobené řetězce, zda neobsahují vadné báze, a pokud jsou nalezeny chyby, vymění je.
Příklady DNA polymeráz rodiny A jsou Pol I, Pol γ (gama) a Pol θ (theta). Každý podtyp se často označuje jako rodina Pol I (Pol je zkratka pro polymerázu).
Vždy můžete zjistit, zda se DNA polymeráza nachází v prokaryotických nebo eukaryotických buňkách, když se podíváte na jejich jména. Když je polymeráze přidělena římská číslice (Pol III, Pol I atd.), Nachází se tento enzym v prokaryotických (jednobuněčných) organismech. V eukaryotech jsou podtypy pojmenovány podle řecké abecedy (Pol delta, Pol theta atd.). Rodiny mohou obsahovat DNA polymerázy pro jednotlivé nebo vícebuněčné organismy.
Pol γ je jediná DNA polymeráza, která dokáže replikovat mitochondriální DNA (a opravu DNA mtDNA provádí pouze rodina X DNA polymeráz).
Pol theta (DNA polymeráza theta) opravuje dvouřetězcové zlomy v DNA opětovným spojením zlomených konců. Poškození genu, který kóduje produkci Pol theta (θ), znamená, že přestávky se začínají hromadit, aniž by byly opraveny; avšak theta zprostředkované spojování konců (TMEJ) zvyšuje riziko mutace ve srovnání s některými jinými mechanismy opravy DNA. Z tohoto důvodu byly vadné geny Pol θ spojeny s mnoha formami rakoviny.
Kvůli takovým studiím o nemoci a DNA nám polymerázy rodiny A pomohly pochopit a léčit různé formy rakoviny. Dalším příkladem rodiny A je Pol nu, který pomáhá uvolnit mezivláknové křížové odkazy (ICL). Co je mezivláknové křížové propojení? Už jste někdy slyšeli o hořčičném plynu používaném ve druhé světové válce? Dýchání tohoto plynu ve velkém množství by mohlo zabít, ale tisíce vojáků přežily expozici. Postupem času lékaři zjistili, že tito odvážní muži pravděpodobně zemřou na rakovinu dýchacích cest než lidé, kteří nikdy nebyli vystaveni hořčičnému plynu.Plyn vstoupil do plic a reagoval přímo s DNA plicních buněk a spojil dohromady jeden nukleotidový řetězec s protilehlými nukleotidy, které nebyly jejich partnery (diagonální nebo křížové vazby). Tyto extra vazby zkomplikovaly rozbalení DNA před replikací, a když došlo k replikaci, došlo k chybám při kopírování kódu. Tyto chyby se časem znásobily a způsobily mnoho chyb DNA, které byly kopírovány a způsobily genové mutace. Tyto mutace vedly k produkci vadných buněk nebo rakovině. V případě hořčičného plynu se jednalo o rakovinu plic.
Pol nu (POLν) se vyrábí konkrétně za účelem řešení těchto velmi škodlivých mezivláknových křížových vazeb. Není vyrobeno ve velkém množství a zdá se, že jde spíše o záložní enzym, ale může za tím být i něco jiného. Ačkoli byly objeveny až v roce 2003, méně známé DNA polymerázy, jako je Pol nu, dostávají velkou pozornost. Jedním z důvodů je, že přibližně 50% buněk rakoviny prsu vykazuje odstraněné oblasti na cytogenním místě (poloha) 4p16.2 – to je chromozom 4, krátké rameno (p), oblast 16, pásmo 2). Na obrázku níže je to poloha nejdále vlevo. Je také důležité si uvědomit, že právě zde se nachází gen pro syntézu Pol nu.
Funkce rodiny polymeráz B
Během procesu dělení buněk jsou důležité enzymy rodiny DNA polymeráz B. Kontrolují nově replikovanou a syntetizovanou DNA. Tato rodina zahrnuje prokaryotické i eukaryotické polymerázy.
Pol alfa (řecké písmeno, tedy eukaryotová polymeráza) nastartuje proces replikace DNA a komunikuje oblasti poškození jiných DNA polymeráz z rodiny B, jako je Pol delta a Pol epsilon. Protože jsou tyto chyby okamžitě opraveny, je mnohem větší pravděpodobnost, že budou úspěšné, a riziko opravy nesouladu (shoda nesprávného nukleotidu s poškozeným řetězcem DNA) je nízké.
Příkladem opravy nesouladu nahrazení dříve vázaného páru guaninu a thyminu za vzniku páru guaninu a cytosinu v DNA, kde je thymin nesprávně substituován cytosinem. Bakteriální a eukaryotické DNA polymerázy jsou ústředním prvkem jak mechanismů rozpoznávání poškození, tak opravných poškození.
Funkce rodiny polymeráz C
Zatímco funkce DNA polymerázy C se nacházejí pouze v bakteriích, nikdy bychom neměli zapomínat, že bakterie převyšují počet lidských buněk o deset ku jedné na průměrném těle. Většina z nich je nezbytná pro naše zdraví, pomáhá trávicímu systému a produkuje chemikálie, které zlepšují funkci systému a orgánů. Méně často patogenní bakterie kolonizují, aby vyvolaly příznaky nemoci a nemoci. Rodina C – často označovaná jako PolC – je nejdůležitější skupinou polymerázové replikace bakteriální DNA. Rodina C není opravná polymeráza.
S přibývajícím množstvím bakterií rezistentních vůči léčivům jsou stále důležitější nová antibakteriální činidla. Mezi nové oblasti výzkumu patří vývoj antibiotik, která se přímo zaměřují na PolC. Tento potenciální nový širokospektrální lék by mohl zabránit replikaci u všech typů bakterií, zdravých i patogenních, ale co je ještě důležitější, tyto léky – které jsou stále v nejranějších stádiích vývoje – se vyhýbají mechanismům, které vedou k rezistenci bakteriálních antibiotik.
Funkce rodiny polymerázových řetězců
Euryarchaeota popisuje skupinu grampozitivních a gramnegativních bakterií, o nichž se často říká, že preferují extrémní prostředí (extremofily). Tyto bakterie však žijí a množí se ve všech druzích prostředí, od hlubin hlubin po naše zažívací ústrojí. K replikaci DNA používají DNA polymerázy rodiny D (PolD). Míra mutací v této skupině je velmi vysoká ve srovnání s PolB DNA polymerázami. A na rozdíl od jiných polymeráz nemá rodina D podobnou strukturu, pravděpodobně proto, že tyto buňky jsou, evolučně řečeno, velmi rané typy buněk.
Funkce polymerázy řady X
X rodina DNA polymerázy je omezena na eukaryotické buňky a hraje replikativní i opravnou roli. Někteří pracují na opravách mitochondriální DNA, kde prostředí s vysokou oxidací podporuje poškození DNA. Jiné opravují jeden až (přibližně) deset po sobě jdoucích nukleotidů v DNA buněčného jádra. Způsob opravy (základní excizní oprava) v mitochondriích a jádrech je podobný. Base excision repair (BER) je proces, který využívá různé typy enzymů, včetně DNA glykosylázy a endonukleáz. Je to DNA polymeráza rodiny X (Pol beta a Pol lambda), která tvoří aktivní místo pro tuto opravu a vloží správný nukleotid. Pokud je poškozen gen pro DNA polymerázy rodiny X, jsou negativně ovlivněny procesy BER, což je spojeno s určitými typy rakoviny.Některé nové cílené terapie vyvinuté pro tyto druhy rakoviny inhibují vadné mechanismy opravy základní excize.
Funkce rodiny Y polymerázy
Rodina DNA polymerázy Y je replikativní a opravný enzym nacházející se v eukaryotických a prokaryotických buňkách. Všechny tyto polymerázy jsou velmi náchylné k chybám, pokud jde o jejich roli v replikaci a okamžité opravě nebo přemostění vadných sekvencí DNA. Zároveň však příliš nízké hladiny této rodiny polymeráz mohou zvýšit náchylnost člověka k maligním nádorům. To je důvod, proč je rodina Y někdy přirovnávána k meči s dvojitým ostřím.
Skupina rodiny Y se aktivuje, když jiné DNA polymerázy nejsou schopné dosáhnout účinku. Má to být záložní mechanismus; to může vysvětlovat, proč jsou mutace po tomto typu opravy častější.
Funkce reverzní transkriptázy
Viry, retroviry a eukaryotické buňky obsahují enzymy reverzní transkriptázy závislé na RNA. Tyto enzymy – součást skupiny DNA polymerázy – způsobují, že viry jsou nebezpečné. Protože virus obsahuje pouze RNA, musí mikroorganismus nebo buňku přimět k jejich reprodukci. Pokud by naše buňky pouze kopírovaly RNA, mohly by produkovat jeden nebo dva neobvyklé proteiny v ribozomu, ale tyto by nepomohly množení viru. Místo toho se musí virová RNA nějakým způsobem stát součástí šablony DNA, aby buňka prošla permanentními změnami. Dělá to pomocí enzymů reverzní transkriptázy.
Tyto enzymy produkují dvouvláknovou DNA z templátu jednořetězcové RNA v procesu známém jako reverzní transkripce. Mutace jsou běžné. Obrázek níže ukazuje, jak se virus lidské imunodeficience replikuje v T-lymfocytu. Reverzní transkripce iniciuje růst viru tím, že přiměje buňku k produkci komponent, které se shromažďují a tvoří více virů z upravené DNA.
Většina procesů reverzní transkripce je výsledkem škodlivých virových infekcí, kdy jednovláknová virová RNA je kopírován za vzniku dvojitého řetězce DNA, který bude pokračovat v tvorbě virových proteinů. To se provádí reverzní transkriptázou (reverzní, protože obvyklou metodou je použití dvouvláknové DNA k produkci jednoho řetězce RNA).
Testování během COVID-19 (SARS-CoV-2) v roce 2020 – stejně jako u všech testů na virové infekce – vyžaduje extrakci virové RNA. Laboratoře používají proces zvaný reverzní transkriptáza-polymerázová řetězová reakce (rt-PCR). Rt-PCR není tak složité pochopit, jak by to mohlo znít. Tento test produkuje komplementární DNA (cDNA) nebo DNA, která je kopírována z malého množství virové RNA. Protože tento postup produkuje pouze velmi malé množství cDNA, musí být výsledky zesíleny jeho replikací. Jakmile je virový genom produkován v dostatečném množství, lze jej detekovat.