Definition
DNA-Polymerase ist eine wichtige Enzymgruppe, die an der DNA-Synthese, -Reparatur und -Replikation beteiligt ist. Diese Enzyme kommen in allen lebenden Organismen vor. Ursprünglich bei der Erforschung von Escherichia coli-Bakterien entdeckt, kennen wir jetzt mehrere Sorten mit ähnlichen Strukturen, aber unterschiedlichen Funktionen. Diese Sorten werden nach Funktionen in Familien eingeteilt und auch im Bereich der Gentechnik eingesetzt.
DNA-Polymerase-Funktion
DNA-Polymerase spielt unterschiedliche Rollen bei den Mechanismen der DNA-Synthese. Reparatur und Replikation. DNA-Polymerase wird in sieben verschiedene Familien in Eukaryoten, Viren, Hefen und Bakterien eingeteilt. Diese sieben Familien sind A, B, C, D, X, Y und reverse Transkriptase (RT). Zukünftige Forschungen könnten weitere Gruppen entdecken.
Jede dieser Familien enthält eine Untergruppe von DNA-Polymerasen, die ihren eigenen Funktionsumfang haben. Beispielsweise ist die DNA-Polymerase I ein Mitglied der A-Familie; Die DNA-Polymerase IV oder DinB gehört zur X-Familie. Sie müssen sich nicht jeden Namen merken, aber die Grundfunktion pro Gruppe hilft Ihnen auch dabei, die Proteinsynthese, Genmutation und Genmodifikation besser zu verstehen.
Die Struktur der DNA-Polymerase wird mit der rechten Hand verglichen mit einer Handfläche, Fingern und Daumen. Sie können sich einen DNA-Strang vorstellen, der sich durch ein DNA-Polymerasemolekül wie das Band durch eine Schreibmaschine bewegt. Ganz einfach ausgedrückt helfen die Finger dabei, den entpackten DNA-Strang sorgfältig zu positionieren, indem sie die Nukleotide erkennen. Die Handfläche ist das aktive Zentrum, an dem die Phosphorylierung stattfindet (Hinzufügen des Phosphatrückgrats), und der Daumen bindet die DNA beim Austritt in eine Doppelhelixform das DNA-Polymerasemolekül. Aber nicht alle DNA-Polymerase-Familien haben die gleichen Strukturkomponenten. Schauen wir uns die verschiedenen Familien etwas genauer an.
Polymerase-Familie A
Familie A ist eine Gruppe von DNA-Replikations- oder DNA-Reparaturenzymen. Bei der DNA-Replikation passen sie eine Nukleotidbase an den richtigen Partner an. Dies ist immer dann erforderlich, wenn sich eine Zelle auf die Teilung vorbereitet und das einzelsträngige Chromosom dupliziert wird, sodass beide Zellen, Mutter und Tochter, einen vollständigen DNA-Satz haben.
Wenn eine Kopie der DNA erstellt werden soll, laufen DNA-Polymerasemoleküle über den entpackten Matrizenstrang und kopieren ihn mit entgegengesetzten Nukleotiden. Dies erzeugt eine genaue Kopie des codierenden DNA-Strangs. Verschiedene Enzyme der Familie A helfen bei der DNA-Reparatur – sie überprüfen neu produzierte Stränge auf fehlerhafte Basen und ersetzen sie, wenn Fehler gefunden werden.
Beispiele für DNA-Polymerasen der Familie A sind Pol I, Pol γ (gamma) und Pol & thgr; (Theta). Jeder Subtyp wird oft als Pol I-Familie bezeichnet (Pol steht für Polymerase) und hat eine spezifische Wirkung.
Sie können immer anhand von betrachten, ob eine DNA-Polymerase in prokaryotischen oder eukaryotischen Zellen gefunden wird ihre Namen. Wenn einer Polymerase römische Ziffern (Pol III, Pol I usw.) zugewiesen werden, wird dieses Enzym in Prokaryoten (einzelligen) Organismen gefunden. In Eukaryoten werden Untertypen nach dem griechischen Alphabet benannt (Pol-Delta, Pol-Theta usw.). Familien können DNA-Polymerasen für ein- und / oder mehrzellige Organismen enthalten.
Pol γ ist die einzige DNA-Polymerase, die mitochondriale DNA replizieren kann (und nur DNA-Polymerasen der Familie X führen eine mtDNA-Reparatur durch).
Pol-Theta (DNA-Polymerase-Theta) repariert Doppelstrangbrüche innerhalb der DNA, indem es die gebrochenen Enden wieder verbindet. Eine Beschädigung des Gens, das für die Produktion von Pol Theta (θ) kodiert, bedeutet, dass sich Brüche häufen, ohne repariert zu werden. Theta-vermittelte Endverbindung (TMEJ) erhöht jedoch das Mutationsrisiko im Vergleich zu einigen anderen DNA-Reparaturmechanismen. Aus diesem Grund wurden fehlerhafte Pol θ-Gene mit vielen Krebsarten in Verbindung gebracht.
Aufgrund solcher Studien zu Krankheit und DNA haben uns DNA-Polymerasen der Familie A geholfen, verschiedene Krebsarten zu verstehen und zu behandeln. Ein weiteres Beispiel für eine A-Familie ist Pol nu, mit dessen Hilfe Interstrand-Vernetzungen (ICL) gelöst werden können. Was ist eine Interstrand-Vernetzung? Haben Sie jemals von Senfgas gehört, das im Zweiten Weltkrieg verwendet wurde? Das Einatmen dieses Gases in großen Mengen könnte tödlich sein, aber Tausende von Soldaten überlebten die Exposition. Im Laufe der Zeit stellten die Ärzte fest, dass diese mutigen Männer häufiger an Krebserkrankungen der Atemwege sterben als Menschen, die noch nie Senfgas ausgesetzt waren.Das Gas trat in die Lunge ein und reagierte direkt mit der DNA von Lungenzellen, wobei ein Nukleotidstrang mit gegenüberliegenden Nukleotiden verbunden wurde, die nicht ihre Partner waren (Diagonal- oder Vernetzungen). Diese zusätzlichen Bindungen erschwerten das Entpacken der DNA vor der Replikation, und als die Replikation stattfand, wurden Fehler beim Kopieren des Codes gemacht. Diese Fehler vermehrten sich im Laufe der Zeit und verursachten viele DNA-Fehler, die kopiert wurden und Genmutationen verursachten. Diese Mutationen führten zur Produktion fehlerhafter Zellen oder von Krebs. Im Fall von Senfgas war dies Lungenkrebs.
Pol nu (POLν) wird speziell hergestellt, um zu versuchen, diese hochschädlichen Interstrand-Vernetzungen zu lösen. Es wird nicht in großen Mengen hergestellt und scheint eher ein Backup-Enzym zu sein, aber es kann mehr als das sein. Obwohl erst 2003 entdeckt, finden weniger bekannte DNA-Polymerasen wie Pol nu viel Aufmerksamkeit. Einer der Gründe ist, dass etwa 50% der Brustkrebszellen deletierte Bereiche an der zytogenen Stelle (Position) 4p16.2 aufweisen – das ist Chromosom 4, kurzer Arm (p), Region 16, Bande 2). Im folgenden Bild ist dies die Position, die am weitesten links liegt. Es ist auch wichtig zu beachten, dass sich genau hier das Gen für die Polnu-Synthese befindet.
Polymerase-Familie-B-Funktion
Enzyme der DNA-Polymerase-B-Familie sind während des Prozesses der Zellteilung wichtig. Sie überprüfen neu replizierte und synthetisierte DNA. Die Familie umfasst sowohl Prokaryoten- als auch Eukaryotenpolymerasen.
Pol alpha (ein griechischer Buchstabe, also eine Eukaryotenpolymerase) startet den DNA-Replikationsprozess und kommuniziert Schadensbereiche mit anderen DNA-Polymerasen der B-Familie wie Pol Delta und Pol Epsilon. Da diese Fehler sofort behoben werden, ist es viel wahrscheinlicher, dass sie erfolgreich sind, und das Risiko einer Fehlpaarungsreparatur (Anpassung des falschen Nukleotids an einen beschädigten DNA-Strang) ist gering.
Ein Beispiel für eine Fehlpaarungsreparatur ist die Ersetzen eines zuvor gebundenen Guanin-Thymin-Paares, um ein Guanin-Cytosin-Paar in der DNA zu erzeugen, wobei Thymin fälschlicherweise durch Cytosin ersetzt wird. Bakterien- und Eukaryoten-DNA-Polymerasen sind sowohl für die Schadenserkennung als auch für die Schadensreparatur von zentraler Bedeutung.
Funktion der Polymerase-Familie C
Während DNA-Polymerase-C-Funktionen nur in Bakterien vorhanden sind, sollten wir dies niemals vergessen Bakterien überwiegen die Anzahl menschlicher Zellen am und innerhalb des durchschnittlichen Körpers um zehn zu eins. Die meisten davon sind wichtig für unsere Gesundheit, unterstützen das Verdauungssystem und produzieren Chemikalien, die die System- und Organfunktion verbessern. Weniger häufig besiedeln sich pathogene Bakterien, um Krankheitssymptome hervorzurufen. Familie C – oft als PolC bezeichnet – ist die wichtigste bakterielle DNA-Replikationspolymerasegruppe. Familie C ist keine Reparaturpolymerase.
Mit zunehmenden medikamentenresistenten Bakterien werden immer mehr neue antibakterielle Wirkstoffe erforderlich. Neue Forschungsbereiche umfassen die Entwicklung von Antibiotika, die direkt auf PolC abzielen. Dieses potenzielle neue Breitbandmedikament könnte die Replikation bei allen Arten von Bakterien verhindern, gesund und pathogen, aber was noch wichtiger ist, diese Medikamente – die sich noch in den frühesten Entwicklungsstadien befinden – vermeiden die Mechanismen, die zu einer bakteriellen Antibiotikaresistenz führen.
Funktion der Polymerasefamilie D
Euryarchaeota beschreibt eine Gruppe von grampositiven und gramnegativen Bakterien, von denen oft gesagt wird, dass sie extreme Umgebungen (Extremophile) bevorzugen. Diese Bakterien leben und vermehren sich jedoch in allen Arten von Umgebungen, von tiefen Meeresschlick bis zu unseren Verdauungssystemen. Sie verwenden DNA-Polymerasen der D-Familie (PolD) zur DNA-Replikation. Die Mutationsraten in dieser Gruppe sind im Vergleich zu denen von PolB-DNA-Polymerasen sehr hoch. Und im Gegensatz zu anderen Polymerasen hat Familie D keine handähnliche Struktur, wahrscheinlich weil diese Zellen evolutionär gesehen sehr frühe Zelltypen sind.
Funktion der Polymerasefamilie X
Das X. Die Familie der DNA-Polymerase ist auf eukaryotische Zellen beschränkt und spielt sowohl eine replikative als auch eine reparative Rolle. Einige arbeiten daran, mitochondriale DNA zu reparieren, wo stark oxidative Umgebungen DNA-Schäden fördern. Andere reparieren ein bis (ungefähr) zehn aufeinanderfolgende Nukleotide in der DNA des Zellkerns. Die Reparaturmethode (Basis-Exzisionsreparatur) im Mitochondrium und im Zellkern ist ähnlich. Die Basenexzisionsreparatur (BER) ist ein Prozess, bei dem verschiedene Arten von Enzymen verwendet werden, einschließlich DNA-Glycosylase und Endonukleasen. Es ist die DNA-Polymerase der X-Familie (Pol beta und Pol lambda), die das aktive Zentrum für diese Reparatur bildet und das richtige Nukleotid einfügt. Wenn das Gen für DNA-Polymerasen der X-Familie beschädigt ist, werden die BER-Prozesse negativ beeinflusst und dies ist mit bestimmten Krebsarten verbunden.Einige neue zielgerichtete Therapien, die für diese Krebsarten entwickelt wurden, hemmen fehlerhafte Reparaturmechanismen für die Basenexzision.
Funktion der Polymerase-Familie Y
Die DNA-Polymerase-Y-Familie ist ein Replikations- und Reparaturenzym, das in eukaryotischen und prokaryotischen Zellen vorkommt. Alle diese Polymerasen sind hinsichtlich ihrer Rolle bei der Replikation und sofortigen Reparatur oder Umgehung fehlerhafter DNA-Sequenzen sehr fehleranfällig. Gleichzeitig können zu niedrige Konzentrationen dieser Polymerasefamilie die Anfälligkeit für bösartige Tumoren erhöhen. Aus diesem Grund wird die Y-Familie manchmal mit einem zweischneidigen Schwert verglichen.
Die Gruppe der Y-Familie wird aktiviert, wenn andere DNA-Polymerasen keine Wirkung erzielen können. Es soll ein Backup-Mechanismus sein; Dies könnte erklären, warum Mutationen nach dieser Art der Reparatur häufiger auftreten.
Reverse Transkriptasefunktion
Viren, Retroviren und Eukaryontenzellen enthalten RNA-abhängige reverse Transkriptaseenzyme. Diese Enzyme – Teil der DNA-Polymerasegruppe – machen Viren gefährlich. Da ein Virus nur RNA enthält, muss es einen Mikroorganismus oder eine Zelle dazu verleiten, diese zu reproduzieren. Wenn unsere Zellen nur die RNA kopieren würden, könnten sie ein oder zwei ungewöhnliche Proteine in einem Ribosom produzieren, aber diese würden dem Virus nicht helfen, sich zu vermehren. Stattdessen muss sich die virale RNA irgendwie in die DNA-Matrize einfügen, damit die Zelle dauerhafte Veränderungen erfährt. Dies geschieht unter Verwendung von Reverse-Transkriptase-Enzymen.
Diese Enzyme produzieren doppelsträngige DNA aus einer einzelsträngigen RNA-Matrize in einem als reverse Transkription bekannten Prozess. Mutationen sind häufig. Das Bild unten zeigt, wie sich das humane Immundefizienzvirus in einem T-Lymphozyten repliziert. Die reverse Transkription initiiert das Wachstum des Virus, indem die Zelle dazu gebracht wird, Komponenten zu produzieren, die sich zusammensetzen, um mehr Viren aus bearbeiteter DNA zu bilden.
Die meisten reversen Transkriptionsprozesse sind das Ergebnis schädlicher viraler Infektionen, bei denen die einzelsträngige virale RNA wird kopiert, um einen doppelten DNA-Strang zu bilden, der dann virale Proteine bildet. Dies erfolgt durch reverse Transkriptase (umgekehrt, da die übliche Methode darin besteht, doppelsträngige DNA zur Herstellung eines einzelnen RNA-Strangs zu verwenden).
Tests während des COVID-19 (SARS-CoV-2) im Jahr 2020 – wie bei allen Tests auf Virusinfektionen – erfordert die Extraktion von Virus-RNA. Laboratorien verwenden ein Verfahren, das als reverse Transkriptase-Polymerase-Kettenreaktion (RT-PCR) bezeichnet wird. RT-PCR ist nicht so kompliziert zu verstehen, wie es sich anhört. Dieser Test erzeugt komplementäre DNA (cDNA) oder DNA, die aus kleinen Mengen viraler RNA kopiert wird. Da dieses Verfahren nur sehr geringe Mengen an cDNA produziert, müssen die Ergebnisse durch Replikation verstärkt werden. Sobald es in ausreichenden Mengen produziert wurde, kann das virale Genom nachgewiesen werden.