Määritelmä
DNA-polymeraasi on tärkeä entsyymiryhmä, joka osallistuu DNA-synteesiin, korjaukseen ja replikaatioon; näitä entsyymejä löytyy kaikista elävistä organismeista. Alun perin löydetty Escherichia coli -bakteerien tutkimuksen aikana, tiedämme nyt useita lajikkeita, joilla on samanlainen rakenne, mutta erilaiset toiminnot. Nämä lajikkeet on ryhmitelty perheisiin toiminnan mukaan, ja niitä käytetään myös geenitekniikan alalla.
DNA-polymeraasifunktio
DNA-polymeraasilla on vaihteleva rooli DNA-synteesimekanismeissa, korjaus ja replikointi. DNA-polymeraasi on luokiteltu seitsemään eri perheeseen eukaryooteissa, viruksissa, hiivoissa ja bakteereissa. Nämä seitsemän perhettä ovat A, B, C, D, X, Y ja käänteistranskriptaasi (RT). Tulevat tutkimukset saattavat löytää muita ryhmiä.
Jokainen näistä perheistä sisältää alaryhmän DNA-polymeraaseja, joilla on oma toimintoalueensa. Esimerkiksi DNA-polymeraasi I on A-perheen jäsen; DNA-polymeraasi IV tai DinB on X-perheen jäsen. Kaikkia nimiä ei tarvitse muistaa, mutta ryhmäkohtainen perustoiminto auttaa sinua ymmärtämään paremmin proteiinisynteesiä, geenimutaatiota ja geenimodifikaatiota.
DNA-polymeraasin rakennetta verrataan oikeaan käteen kämmenellä, sormilla ja peukalolla. Voit kuvitella DNA-juosteen liikkuvan DNA-polymeraasimolekyylin läpi kuten nauha kirjoituskoneen läpi. Hyvin yksinkertaisesti sanottuna sormet auttavat kiinnittämään puretun DNA-juosteen varovasti tunnistamalla nukleotidit, kämmen on aktiivinen kohta, jossa fosforylaatio tapahtuu (lisäämällä fosfaattirunko), ja peukalo sitoo DNA: n kaksoiskierre-muotoon, kun se poistuu. DNA-polymeraasimolekyyli. Mutta kaikilla DNA-polymeraasiperheillä ei ole samoja rakenteellisia komponentteja. Katsotaanpa eri perheitä hieman tarkemmin.
Polymeraasiperhe A
Perhe A on ryhmä DNA-replikaatio- tai DNA-korjausentsyymejä. DNA-replikaatiossa ne sovittavat nukleotidiemäksen oikeaan kumppaniin. Tämä on välttämätöntä aina, kun solu valmistautuu jakautumaan, ja yksisäikeinen kromosomi toistetaan siten, että molemmilla soluilla, äidillä ja tyttärellä, on täydellinen DNA-sarja.
Jos halutaan tehdä kopio DNA: sta, DNA-polymeraasimolekyylit juoksevat vetoketjun templaattisäikeen yli ja kopioivat sen vastakkaisten nukleotidien kanssa. Tämä tuottaa tarkan kopion DNA: n koodaavasta juosteesta. Erilaiset A-perheen entsyymit auttavat kohti DNA: n korjaamista – ne tarkistavat äskettäin tuotetuista säikeistä viallisten emästen varalta ja korvaavat ne, jos havaitaan vikoja.
Esimerkkejä perheen A DNA-polymeraaseista ovat Pol I, Pol γ (gamma) ja Pol θ (teeta). Kullakin alatyypillä, jota usein kutsutaan Pol I -perheeksi (Pol on lyhenne sanoista polymeraasi), on erityinen vaikutus.
Voit aina kertoa, esiintyykö DNA-polymeraasia prokaryoottisissa vai eukaryoottisissa soluissa katsomalla heidän nimensä. Kun polymeraasille annetaan roomalaiset numerot (Pol III, Pol I ja niin edelleen), kyseistä entsyymiä esiintyy prokaryoottisissa (yksisoluisissa) organismeissa. Eukaryooteissa alatyypit nimetään kreikkalaisen aakkosen mukaan (Pol delta, Pol theta ja niin edelleen). Perheet voivat sisältää DNA-polymeraaseja yksittäisille ja / tai monisoluisille organismeille.
Pol γ on ainoa DNA-polymeraasi, joka voi replikoida mitokondrioiden DNA: ta (ja vain perheen X DNA-polymeraasit suorittavat mtDNA-korjauksen).
Pol-teeta (DNA-polymeraasi-teeta) korjaa kaksisäikeiset katkokset DNA: n sisällä liittymällä murtuneisiin päihin. Pol-teeta (θ) -tuotantoa koodaavan geenin vaurioituminen tarkoittaa, että rikkoutumiset alkavat kasaantua korjaamatta niitä; teeta-välitteinen päätyliittyminen (TMEJ) kuitenkin lisää mutaation riskiä verrattuna joihinkin muihin DNA-korjausmekanismeihin. Tämän vuoksi vialliset Pol-geenit on yhdistetty moniin syöpämuotoihin.
Tällaisten tautien ja DNA: n tutkimusten takia A-perheen DNA-polymeraasit ovat auttaneet meitä ymmärtämään ja hoitamaan erilaisia syöpämuotoja. Toinen A-perheen esimerkki on Pol nu, joka auttaa purkamaan sisäiset ristilinkit. Mikä on ketjujen välinen ristilinkki? Oletko koskaan kuullut sinapikaasusta, jota käytetään toisessa maailmansodassa? Tämän kaasun hengittäminen suurina määrinä voi tappaa, mutta tuhannet sotilaat selvisivät altistumisesta. Ajan myötä lääkärit havaitsivat, että nämä rohkeat miehet kuolivat todennäköisemmin hengityselinten syöpiin kuin ihmiset, jotka eivät olleet koskaan altistuneet sinappikaasulle.Kaasu pääsi keuhkoihin ja reagoi suoraan keuhkosolujen DNA: n kanssa, sitomalla yhteen nukleotidisäike vastakkaisiin nukleotideihin, jotka eivät olleet niiden kumppaneita (diagonaaliset tai ristisidokset). Nämä ylimääräiset sidokset tekivät DNA: n purkamisen ennen replikointia vaikeaksi, ja kun replikaatio tapahtui, koodin kopioinnissa tehtiin virheitä. Nämä virheet lisääntyivät ajan myötä aiheuttaen monia kopioituja DNA-vikoja ja aiheuttaneet geenimutaatioita. Nämä mutaatiot johtivat viallisten solujen tai syövän tuotantoon. Sinappikaasun kohdalla tämä oli keuhkosyöpä.
Pol nu (POLν) tuotetaan nimenomaan näiden erittäin vahingollisten säikeiden välisten ristilinkkien ratkaisemiseksi. Sitä ei valmisteta suurina määrinä ja se näyttää olevan enemmän varalla toimiva entsyymi, mutta sitä voi olla enemmän. Vaikka vähemmän tunnetut DNA-polymeraasit, kuten Pol nu, löydettiin vasta vuonna 2003, saavat paljon huomiota. Yksi syy on, että noin 50 prosentilla rintasyöpäsoluista on poistettuja alueita sytogeenisessä paikassa (sijainti) 4p16.2 – eli kromosomi 4, lyhyt käsivarsi (p), alue 16, kaista 2). Alla olevassa kuvassa se on kauimpana vasemmalla. Tärkeää on myös huomata, että juuri siellä sijaitsee Pol nu-synteesigeeni.
Polymeraasiperheen B toiminto
DNA-polymeraasi B -perheen entsyymit ovat tärkeitä solujen jakautumisprosessin aikana. He tarkistavat vasta replikoituneen ja syntetisoidun DNA: n. Perheeseen kuuluu sekä prokaryootti- että eukaryoottipolymeraaseja.
Pol alfa (kreikkalainen kirjain, siis eukaryoottipolymeraasi) aloittaa DNA-replikaation ja kommunikoi muiden B-perheen DNA-polymeraasien, kuten Pol, vaurioalueiden kanssa. delta ja Pol epsilon. Koska nämä viat korjataan välittömästi, ne ovat todennäköisesti todennäköisempiä ja epätasapainon korjaamisen (väärän nukleotidin sovittaminen vaurioituneeseen DNA-juosteeseen) riski on pieni.
Esimerkki epäsuhtaiden korjaamisesta on aiemmin sitoutuneen guaniini- ja tymiiniparin korvaaminen guaniini- ja sytosiiniparin tuottamiseksi DNA: ssa, jossa tymiini on väärin substituoitu sytosiinilla. Bakteeri- ja eukaryootti-DNA-polymeraasit ovat keskeisiä sekä vaurioiden tunnistamisessa että vaurioiden korjausmekanismeissa.
Polymeraasiperheen C-toiminto
Vaikka DNA-polymeraasi C -funktioita esiintyy vain bakteereissa, ei pidä koskaan unohtaa, että bakteerit ylittävät ihmissolut kymmenellä yhdellä keskirungossa ja sen sisällä. Suurin osa näistä on välttämätöntä terveydellemme, auttaa ruoansulatuskanavaa ja tuottaa kemikaaleja, jotka parantavat järjestelmän ja elinten toimintaa. Harvemmin taudinaiheuttajat bakteerit kolonisoituvat tuottamaan sairauden oireita. Perhe C – jota usein kutsutaan PolC: ksi – on tärkein bakteerin DNA-replikaatiopolymeraasiryhmä. Perhe C ei ole korjauspolymeraasi.
Lääkeresistenttien bakteerien lisääntyessä uusien antibakteeristen aineiden tarve on yhä suurempi. Uusia tutkimusalueita ovat antibioottien kehittäminen, jotka kohdistuvat suoraan PolC: hen. Tämä potentiaalinen uusi laajakirjoinen lääke voi estää lisääntymisen kaikentyyppisissä bakteereissa, terveissä ja patogeenisissä, mutta mikä vielä tärkeämpää, nämä lääkkeet – jotka ovat vielä kehitysvaiheessa – välttävät mekanismeja, jotka johtavat bakteerien antibioottiresistenssiin. p>
Polymeraasiperheen D-toiminto
Euryarchaeota kuvaa ryhmää gram-positiivisia ja gram-negatiivisia bakteereja, joiden sanotaan usein suosivan ääriympäristöjä (extremeophiles). Nämä bakteerit elävät ja lisääntyvät kaikenlaisissa ympäristöissä, syvistä merisilteistä ruoansulatuskanavallemme. He käyttävät D-perheen DNA-polymeraaseja (PolD) DNA-replikaatioon. Mutaatioasteet tässä ryhmässä ovat erittäin korkeat verrattuna PolB-DNA-polymeraasien mutaatioihin. Ja toisin kuin muut polymeraasit, perheellä D ei ole käden muotoista rakennetta, luultavasti siksi, että nämä solut ovat evoluutiomuodossa hyvin varhaisia solutyyppejä.
Polymeraasiperhe X -toiminto
X DNA-polymeraasiperhe on rajoitettu eukaryoottisiin soluihin ja sillä on sekä replikatiivisia että korjaavia rooleja. Jotkut työskentelevät mitokondrioiden DNA: n korjaamiseksi, kun korkean hapettumisen ympäristöt kannustavat DNA-vaurioita. Toiset korjaavat yhden (noin) kymmeneen peräkkäiseen nukleotidiin solun ytimen DNA: ssa. Korjausmenetelmä (pohjan excision korjaus) mitokondriossa ja ytimessä on samanlainen. Emäksen poisto-korjaus (BER) on prosessi, joka käyttää erityyppisiä entsyymejä, mukaan lukien DNA-glykosylaasi ja endonukleaasit. X-perheen DNA-polymeraasi (Pol beeta ja Pol lambda) muodostaa aktiivisen kohdan tälle korjaukselle ja lisää oikean nukleotidin. Jos X-perheen DNA-polymeraasien geeni vaurioituu, BER-prosessit vaikuttavat negatiivisesti ja tämä liittyy tietyntyyppisiin syöpiin.Jotkut näihin syöpiin kehitetyt uudet kohdennetut hoidot estävät viallisia peruskudoksen korjausmekanismeja.
Polymeraasiperhe Y-toiminto
DNA-polymeraasi Y-perhe on replikaatio- ja korjausentsyymi, joka löytyy eukaryoottisista ja prokaryoottisista soluista. Kaikki nämä polymeraasit ovat hyvin virheiden alaisia suhteessa niiden rooliin viallisten DNA-sekvenssien replikaatiossa ja välittömässä korjaamisessa tai ohittamisessa. Samanaikaisesti tämän polymeraasiperheen liian matalat tasot voivat lisätä alttiutta pahanlaatuisille kasvaimille. Siksi Y-perhettä verrataan joskus kaksiteräiseen miekkaan.
Y-perheryhmä aktivoituu, kun muut DNA-polymeraasit eivät kykene vaikuttamaan. Sen oletetaan olevan varmuuskopiomekanismi; tämä voi selittää, miksi tämän tyyppistä korjausta seuraavat mutaatiot ovat yleisempiä.
Käänteiskopioijaentsyymifunktio
Virukset, retrovirukset ja eukaryoottisolut sisältävät RNA: sta riippuvia käänteistranskriptaasientsyymejä. Nämä entsyymit – osa DNA-polymeraasiryhmää – tekevät viruksista vaarallisia. Koska virus sisältää vain RNA: ta, sen on huijata mikro-organismi tai solu lisääntymään. Jos solumme kopioivat vain RNA: n, ne saattavat tuottaa yhden tai kaksi epätavallista proteiinia ribosomissa, mutta nämä eivät auta virusta lisääntymään. Sen sijaan virus-RNA: n on jotenkin tehtävä itsensä osaksi DNA-templaattia niin, että solu muuttuu pysyvästi. Se tekee tämän käyttämällä käänteistranskriptaasientsyymejä.
Nämä entsyymit tuottavat kaksisäikeistä DNA: ta yksisäikeisestä RNA-templaatista prosessissa, joka tunnetaan käänteiskopiointina. Mutaatiot ovat yleisiä. Alla oleva kuva osoittaa, kuinka ihmisen immuunikatovirus replikoituu T-lymfosyytissä. Käänteiskopiointi käynnistää viruksen kasvun huijaamalla solun tuottamaan komponentteja, jotka kokoontuvat muodostamaan enemmän viruksia muokatusta DNA: sta.
Useimmat käänteiskopiointiprosessit ovat seurausta haitallisista virusinfektioista, joissa yksijuosteinen virus-RNA kopioidaan kaksois-DNA-juosteen muodostamiseksi, josta jatkossa muodostuu virusproteiineja. Tämä tapahtuu käänteistranskriptaasilla (käänteinen, koska tavanomainen menetelmä on käyttää kaksijuosteista DNA: ta yhden RNA-juosteen tuottamiseksi).
Testaus COVID-19: n (SARS-CoV-2) aikana vuonna 2020 – kuten kaikissa virusinfektiotesteissä – vaatii viruksen RNA-uuttoa. Laboratoriot käyttävät prosessia, jota kutsutaan käänteiskopioijaentsyymi-polymeraasiketjureaktioksi (rt-PCR). Rt-PCR ei ole niin monimutkainen ymmärtää kuin se saattaa kuulostaa. Tämä testi tuottaa komplementaarista DNA: ta (cDNA) tai DNA: ta, joka kopioidaan pienistä määristä virus-RNA: ta. Koska tämä menettely tuottaa vain hyvin pieniä määriä cDNA: ta, tuloksia on vahvistettava replikoimalla se. Kun virus on tuotettu riittävinä määrinä, se voidaan havaita.