Definition
DNA-polymerase er en vigtig enzymgruppe involveret i DNA-syntese, reparation og replikering; disse enzymer findes i alle levende organismer. Oprindeligt opdaget under forskning i Escherichia coli-bakterier, kender vi nu til flere sorter med lignende strukturer men forskellige funktioner. Disse sorter er grupperet i familier efter funktion og bruges også inden for genteknologi.
DNA-polymerasefunktion
DNA-polymerase har forskellige roller i mekanismerne til DNA-syntese, reparation og replikering. DNA-polymerase er kategoriseret i syv forskellige familier i eukaryoter, vira, gær og bakterier. Disse syv familier er A, B, C, D, X, Y og revers transkriptase (RT). Fremtidig forskning kan finde yderligere grupper.
Hver af disse familier indeholder en delmængde af DNA-polymeraser, der har deres egen række funktioner. For eksempel er DNA-polymerase I et medlem af A-familien; DNA-polymerase IV eller DinB er et medlem af X-familien. Du behøver ikke huske hvert navn, men den grundlæggende funktion pr. Gruppe hjælper dig også med bedre at forstå proteinsyntese, genmutation og genmodifikation.
DNA-polymerasestrukturen sammenlignes med en højre hånd med en håndflade, fingre og tommelfinger. Du kan forestille dig en DNA-streng, der bevæger sig gennem et DNA-polymerasemolekyle som båndet gennem en skrivemaskine. Meget enkelt sagt, fingrene hjælper med omhyggeligt at placere den udpakkede DNA-streng ved at genkende nukleotiderne, håndfladen er det aktive sted, hvor phosphorylering forekommer (tilføjelse af phosphatrygraden), og tommelfingeren binder DNA’et til en dobbelt-helixform, når den kommer ud DNA-polymerasemolekylet. Men ikke alle DNA-polymerasefamilier har de samme strukturelle komponenter. Lad os se på de forskellige familier lidt mere detaljeret.
Polymerasefamilie A
Familie A er en gruppe af DNA-replikations- eller DNA-reparationsenzymer. I DNA-replikering matcher de en nukleotidbase til den rigtige partner. Dette er nødvendigt, hver gang en celle forbereder sig på at dele sig, og det enkeltstrengede kromosom duplikeres, så begge celler, mor og datter, har et komplet sæt DNA.
Hvis der skal laves en kopi af DNA’et, kører DNA-polymerasemolekyler over den udpakkede skabelonstreng og kopierer den med modsatte nukleotider. Dette producerer en nøjagtig kopi af den kodende streng af DNA. Forskellige familie A-enzymer hjælper med DNA-reparation – de kontrollerer nyproducerede tråde for defekte baser og udskifter dem, hvis der findes fejl.
Eksempler på familie A DNA-polymeraser er Pol I, Pol γ (gamma) og Pol θ (theta). Ofte omtalt som Pol I-familien (Pol er en forkortelse for polymerase), har hver undertype en specifik handling.
Du kan altid fortælle, om en DNA-polymerase findes i prokaryote eller eukaryote celler ved at se på deres navne. Når en polymerase tildeles romerske tal (Pol III, Pol I osv.), Findes dette enzym i prokaryote (encellede) organismer. I eukaryoter navngives undertyper i henhold til det græske alfabet (Pol delta, Pol theta osv.). Familier kan indeholde DNA-polymeraser til enkelt- og / eller flercellede organismer.
Pol γ er den eneste DNA-polymerase, der kan replikere mitokondrie-DNA (og kun familie X-DNA-polymeraser udfører mtDNA-reparation).
Pol theta (DNA-polymerase theta) reparerer dobbeltstrengede brud i DNA’et ved at genforene de ødelagte ender. Skader på genet, der koder for Pol theta (θ) produktion, betyder, at pauser begynder at bunke op uden at blive repareret; theta-medieret endeforbindelse (TMEJ) øger imidlertid risikoen for mutation sammenlignet med nogle andre DNA-reparationsmekanismer. På grund af dette er defekte Polθ-gener blevet knyttet til mange former for kræft.
På grund af sådanne undersøgelser af sygdom og DNA har familie A DNA-polymeraser hjulpet os med at forstå og behandle forskellige former for kræft. Et andet A-familieeksempel er Pol nu, som hjælper med at løsne tværstrengede tværlinjer (ICL). Hvad er et tværstrenget tværstreng? Har du nogensinde hørt om sennepsgas, der blev brugt i Anden Verdenskrig? Indånding af denne gas i store mængder kan dræbe, men tusinder af soldater overlevede udsættelse. Efterhånden som tiden gik, fandt lægerne, at disse modige mænd var mere tilbøjelige til at dø af kræft i luftvejene end mennesker, der aldrig havde været udsat for sennepsgas.Gassen kom ind i lungerne og reagerede direkte med DNA fra lungecellerne og bundet sammen en nukleotidstreng til modsatte nukleotider, der ikke var deres partnere (diagonale eller tværbindinger). Disse ekstra bindinger gjorde det vanskeligt at udpakke DNA før replikering, og når replikering fandt sted, blev der begået fejl ved kopiering af koden. Disse fejl gangede sig over tid og forårsagede mange DNA-fejl, der blev kopieret og forårsagede genmutationer. Disse mutationer førte til produktion af defekte celler eller kræft. I tilfælde af sennepsgas var dette lungekræft.
Pol nu (POLν) er specifikt produceret for at forsøge at løse disse stærkt skadelige tværstrengede tværbindinger. Det er ikke lavet i store mængder og synes at være mere et backup-enzym, men der kan være mere ved det end det. Selvom det kun blev opdaget i 2003, får mindre kendte DNA-polymeraser som Pol nu stor opmærksomhed. En af grundene er, at omkring 50% af brystkræftceller viser slettede områder på cytogen placering (position) 4p16.2 – det er kromosom 4, kort arm (p), region 16, bånd 2). På billedet nedenfor er det positionen længst til venstre. Det er også vigtigt at bemærke, at dette er nøjagtigt, hvor genet til Pol nu-syntese er placeret.
Polymerase-familie B-funktion
DNA-polymerase B-familieenzymer er vigtige under processen med celledeling. De kontrollerer nyreplikeret og syntetiseret DNA. Familien inkluderer både prokaryote og eukaryote polymeraser.
Pol alpha (et græsk bogstav, så en eukaryot polymerase) starter DNA-replikationsprocessen og kommunikerer områder med skade på andre B-familie DNA-polymeraser såsom Pol delta og Pol epsilon. Fordi disse fejl rettes med det samme, er det meget mere sandsynligt, at de lykkes, og risikoen for reparation af mismatch (matching af det forkerte nukleotid til en beskadiget DNA-streng) er lav.
Et eksempel på reparation af mismatch er udskiftning af et tidligere bundet guanin- og thyminpar til dannelse af et guanin- og cytosinpar i DNA’et, hvor thymin fejlagtigt er substitueret med cytosin. Bakterielle og eukaryote DNA-polymeraser er centrale for både mekanismer til genkendelse af skader og reparation af skader.
Polymerase Family C-funktion
Mens DNA-polymerase C-funktioner kun findes i bakterier, bør vi aldrig glemme, at bakterier overstiger menneskelige celler med ti til en på og inden for gennemsnittet. De fleste af disse er vigtige for vores helbred, hjælper fordøjelsessystemet og producerer kemikalier, der forbedrer system- og organfunktionen. Mindre ofte koloniserer patogene bakterier for at producere symptomer på sygdom og sygdom. Familie C – ofte omtalt som PolC – er den vigtigste bakterielle DNA-replikationspolymerasegruppe. Familie C er ikke en reparationspolymerase.
Med lægemiddelresistente bakterier stigende, bliver nye antibakterielle midler mere og mere nødvendige. Nye forskningsområder inkluderer udvikling af antibiotika, der direkte er rettet mod PolC. Dette potentielle nye bredspektrede lægemiddel kunne forhindre replikation i alle typer bakterier, sunde og patogene, men endnu vigtigere er, at disse lægemidler – som stadig er i de tidligste udviklingsstadier – undgår de mekanismer, der fører til bakteriel antibiotikaresistens. p>
Polymerase-familie D-funktion
Euryarchaeota beskriver en gruppe gram-positive og gram-negative bakterier, der ofte siges at foretrække ekstreme miljøer (ekstremofile). Disse bakterier lever og formere sig imidlertid i alle slags miljøer, fra dybe marine silt til vores fordøjelsessystemer. De bruger D-familie DNA-polymeraser (PolD) til DNA-replikation. Mutationshastigheder i denne gruppe er meget høje sammenlignet med dem for PolB DNA-polymeraser. Og i modsætning til andre polymeraser har familie D ikke en håndlignende struktur, sandsynligvis fordi disse celler evolutionært set er meget tidlige celletyper.
Polymerase-familie X-funktion
X familie af DNA-polymerase er begrænset til eukaryote celler og spiller både replikative og reparationsroller. Nogle arbejder for at reparere mitokondrie-DNA, hvor miljøer med høj oxidation tilskynder DNA-skader. Andre reparerer et til (ca.) ti på hinanden følgende nukleotider i cellekernens DNA. Metoden til reparation (base excision reparation) i mitokondrion og kerne er ens. Base excision repair (BER) er en proces, der bruger forskellige typer enzymer, herunder DNA-glycosylase og endonukleaser. Det er X-familie DNA-polymerase (Pol beta og Pol lambda), der danner det aktive sted for denne reparation og indsætter det korrekte nukleotid. Hvis genet for X-familie DNA-polymeraser er beskadiget, påvirkes BER-processer negativt, og dette er forbundet med visse typer kræft.Nogle nye målrettede terapier, der er udviklet til disse kræftformer, hæmmer defekte mekanismer til reparation af basisk excision.
Polymerasefamilie Y-funktion
DNA-polymerase Y-familien er et replikations- og reparationsenzym, der findes i eukaryote og prokaryote celler. Alle disse polymeraser er meget tilbøjelige til fejl med hensyn til deres rolle i replikationen og øjeblikkelig reparation eller omgåelse af defekte DNA-sekvenser. Men samtidig kan for lave niveauer af denne familie af polymeraser øge ens følsomhed over for ondartede tumorer. Dette er grunden til, at Y-familien undertiden sammenlignes med et dobbeltkantet sværd.
Y-familiegruppen aktiveres, når andre DNA-polymeraser ikke er i stand til at få effekt. Det formodes at være en backupmekanisme; dette kan forklare, hvorfor mutationer efter denne type reparation er mere almindelige.
Reverse Transcriptase Function
Virus, retrovirus og eukaryote celler indeholder RNA-afhængige reverse transkriptaseenzymer. Disse enzymer – en del af DNA-polymerasegruppen – er det, der gør vira farlige. Da en virus kun indeholder RNA, skal den narre en mikroorganisme eller celle til at reproducere den. Hvis vores celler kun kopierede RNA’et, producerer de måske et eller to usædvanlige proteiner i et ribosom, men disse hjælper ikke virussen med at formere sig. I stedet skal det virale RNA på en eller anden måde gøre sig selv en del af DNA-skabelonen, så cellen gennemgår permanente ændringer. Det gør det ved at bruge omvendte transkriptaseenzymer.
Disse enzymer producerer dobbeltstrenget DNA fra en enkeltstrenget RNA-skabelon i en proces kendt som omvendt transkription. Mutationer er almindelige. Billedet nedenfor viser, hvordan den humane immundefektvirus replikerer i en T-lymfocyt. Omvendt transkription initierer vækst af virussen ved at narre cellen til at producere komponenter, der samles for at danne flere vira fra redigeret DNA.
De fleste revers transkriptionsprocesser er resultatet af skadelige virusinfektioner, hvor det enkeltstrengede virale RNA kopieres til dannelse af en dobbelt DNA-streng, der fortsætter med at fremstille virale proteiner. Dette gøres ved omvendt transkriptase (omvendt, fordi den sædvanlige metode er at bruge dobbeltstrenget DNA til at producere en enkelt streng af RNA).
Test under COVID-19 (SARS-CoV-2) i 2020 – som med alle virale infektionstest – kræver viral RNA-ekstraktion. Laboratorier bruger en proces kaldet revers transkriptase-polymerasekædereaktion (rt-PCR). Rt-PCR er ikke så kompliceret at forstå, som det måske lyder. Denne test producerer komplementært DNA (cDNA) eller DNA, der kopieres fra små mængder viralt RNA. Da denne procedure kun producerer meget små mængder cDNA, skal resultaterne forstærkes ved at replikere det. Når det først er produceret i tilstrækkelige mængder, kan virusgenomet påvises.