Definíció
A DNS-polimeráz fontos enzimcsoport, amely részt vesz a DNS-szintézisben, -javításban és -replikációban; ezek az enzimek minden élő szervezetben megtalálhatók. Eredetileg az Escherichia coli baktériumok kutatása során fedezték fel, ma már több, hasonló szerkezetű, de eltérő funkciójú fajtáról tudunk. Ezek a fajták funkciók szerint családokba vannak csoportosítva, és a géntechnológia területén is felhasználásra kerülnek.
Ezek a családok mindegyike tartalmaz egy olyan DNS-polimerázt, amelynek saját funkciói vannak. Például az I DNS-polimeráz az A család tagja; A DNS polimeráz IV vagy DinB az X család tagja. Nem kell minden nevet megjegyeznie, de a csoportonkénti alapfunkció a fehérjeszintézis, a génmutáció és a génmódosítás jobb megértésében is segít.
A DNS-polimeráz szerkezetét jobb kezéhez hasonlítják. tenyérrel, ujjakkal és hüvelykujjal. Elképzelheti, hogy a DNS egy szála a DNS-polimeráz molekulán keresztül mozog, mint a szalag az írógépen. Nagyon leegyszerűsítve: az ujjak segítenek a kicsomagolt DNS-szál gondos elhelyezésében a nukleotidok felismerésével, a tenyér az aktív hely, ahol a foszforiláció történik (hozzáadva a foszfátvázat), és a hüvelykujj a kilépéskor kettős hélix formába köti a DNS-t a DNS-polimeráz molekula. De nem minden DNS-polimeráz családnak vannak azonos szerkezeti komponensei. Nézzük meg a különböző családokat egy kicsit részletesebben.
A polimeráz család
Az A család a DNS replikációs vagy DNS helyreállító enzimek csoportja. A DNS replikáció során egy nukleotid bázist illesztenek a megfelelő partnerhez. Erre akkor van szükség, amikor egy sejt osztódni készül, és az egyszálú kromoszóma megduplázódik, hogy mindkét sejtnek, az anyának és a lányának is, teljes DNS-készlete legyen.
Ha a DNS másolatát el kell készíteni, a DNS-polimeráz molekulák átfutnak a kicsomagolt templátszálon, és átellenes nukleotidokkal másolják át. Ez előállítja a DNS kódoló szálának pontos másolatát. A különböző A családba tartozó enzimek segítenek a DNS helyreállításában – megvizsgálják az újonnan előállított szálakat, hogy vannak-e hibás alapjaik, és ha hibákat találnak, kicserélik őket. Pol θ (téta). Gyakran Pol I családnak hívják (a Pol a polimeráz rövidítése), minden altípusnak van egy sajátos hatása.
Mindig megmondhatja, hogy DNS-polimeráz található-e prokarióta vagy eukarióta sejtekben. a nevük. Ha egy polimerázhoz római számokat rendelünk (Pol III, Pol I és így tovább), akkor ez az enzim a prokarióta (egysejtű) organizmusokban található meg. Az eukariótákban az altípusokat a görög ábécé szerint nevezik meg (Pol delta, Pol theta és így tovább). A családok tartalmazhatnak DNS-polimerázokat egy- és / vagy többsejtű organizmusok számára.
Pol γ az egyetlen DNS-polimeráz, amely képes replikálni a mitokondriális DNS-t (és csak az X család DNS-polimerázai hajtják végre az mtDNS javítását).
A Pol-teta (DNS-teta DNS-polimeráz) a törött végek újracsatlakozásával javítja a DNS-ben lévő kettős szálú töréseket. A Pol theta (θ) termelését kódoló gén károsodása azt jelenti, hogy a törések elkezdődnek, anélkül, hogy megjavulnának; azonban a theta-mediált végcsatlakozás (TMEJ) növeli a mutáció kockázatát, összehasonlítva más DNS-helyreállítási mechanizmusokkal. Emiatt a hibás Pol θ gének a rák számos formájához kapcsolódtak.
A betegségekkel és a DNS-sel kapcsolatos ilyen vizsgálatok miatt az A család DNS-polimerázai segítettek megérteni és kezelni a rák különböző formáit. Egy másik A-család példa a Pol nu, amely segít lekapcsolni a szálközi keresztkötéseket (ICL). Mi az interstrand keresztkötés? Hallottál már a mustárgázról, amelyet a második világháborúban használtak? A gáz nagy mennyiségű belélegzése megölheti, de katonák ezrei élték túl az expozíciót. Az idő múlásával az orvosok úgy találták, hogy ezek a bátor férfiak nagyobb valószínűséggel halnak meg légzőrendszeri rákos megbetegedésekben, mint azok, akik soha nem voltak kitéve mustárgáznak.A gáz bejutott a tüdőbe, és közvetlenül reagált a tüdősejtek DNS-ével, összekötve az egyik nukleotidszálat az ellentétes nukleotidokkal, amelyek nem voltak partnereik (átlós vagy keresztkötések). Ezek az extra kötések megnehezítették a DNS kicsomagolását a replikáció előtt, és amikor a replikáció megtörtént, hibákat követtek el a kód másolásakor. Ezek a hibák idővel megsokszorozódtak, sok DNS-hibát okozva, amelyek lemásolták és génmutációkat okoztak. Ezek a mutációk hibás sejtek vagy rák kialakulásához vezettek. A mustárgáz esetében ez tüdőrák volt.
A Pol nu (POLν) -ot kifejezetten ezen erősen károsító szálközi keresztkötések megoldására tervezték. Nem nagy mennyiségben készül, és úgy tűnik, hogy inkább egy tartalék enzim, de ennél több is lehet benne. Bár csak 2003-ban fedezték fel, a kevésbé ismert DNS-polimerázok, például a Pol nu nagy figyelmet kapnak. Ennek egyik oka, hogy az emlőrákos sejtek körülbelül 50% -ánál a törölt területek mutatkoznak a citogén helyen (pozíció) 4p16.2 – ez a 4. kromoszóma, rövid kar (p), 16. régió, 2. sáv). Az alábbi képen ez a helyzet a legtávolabb balra. Fontos megjegyezni azt is, hogy pontosan itt található a Pol nu szintézis génje.
B polimeráz család funkciója
A DNS-polimeráz B család enzimjei fontosak a sejtosztódás folyamatában. Ellenőrzik az újonnan replikált és szintetizált DNS-t. A családba tartoznak mind a prokarióta, mind az eukarióta polimerázok.
A Pol alfa (görög betű, tehát eukarióta polimeráz) beindítja a DNS replikációs folyamatot, és kommunikálja a többi B-család DNS polimerázának, például a Pol károsodásának területeit. delta és Pol epsilon. Mivel ezek a hibák azonnal kijavításra kerülnek, sokkal nagyobb valószínűséggel lesznek sikeresek, és alacsony a nem megfelelő helyrehozás (a rossz nukleotid és a sérült DNS-szál összehangolása) kockázata.
A nem megfelelő javításra példa a egy korábban megkötött guanin és timin pár cseréjével guanin és citozin pár képződik a DNS-ben, ahol a timint helytelenül helyettesítik citozinnal. A baktériumok és az eukarióta DNS-polimerázok központi szerepet játszanak mind a károsodás felismerésében, mind pedig a károsodást helyrehozó mechanizmusokban.
A Polymerase C család funkciója
Míg a DNS polimeráz C funkciói csak a baktériumokban találhatók meg, soha nem szabad elfelejteni, hogy a baktériumok tíz egyével meghaladják az emberi sejteket az átlagos testen belül és belül. Ezek többsége elengedhetetlen az egészségünkhöz, segíti az emésztőrendszert, és olyan vegyi anyagokat állít elő, amelyek javítják a rendszer és a szervek működését. Ritkábban a kórokozó baktériumok kolonizálódnak, hogy betegségeket és betegségeket idézzenek elő. A C család – gyakran PolC néven – a legfontosabb baktérium DNS-replikációs polimeráz csoport. A C család nem javító polimeráz.
A gyógyszerrezisztens baktériumok számának növekedésével az új antibakteriális szerekre egyre nagyobb szükség van. Új kutatási területek közé tartozik a közvetlenül a PolC-t célzó antibiotikumok kifejlesztése. Ez a potenciális új széles spektrumú gyógyszer megakadályozhatja az egészséges és patogén baktériumok replikációját, de ami még ennél is fontosabb, ezek a gyógyszerek – amelyek még a fejlődés legkorábbi szakaszában vannak – elkerülik azokat a mechanizmusokat, amelyek bakteriális antibiotikum-rezisztenciához vezetnek.
A polimeráz-család D funkciója
Az Euryarchaeota olyan gram-pozitív és gram-negatív baktériumok csoportját írja le, amelyekről gyakran azt mondják, hogy az extrém környezeteket (extrémofileket) kedvelik. Ezek a baktériumok azonban mindenféle környezetben élnek és szaporodnak, a mély tengeri sóttól kezdve az emésztőrendszerünkig. A DNS-replikációhoz D-család DNS-polimerázt (PolD) használnak. A mutációs ráta ebben a csoportban nagyon magas, összehasonlítva a PolB DNS polimerázokéval. És más polimerázokkal ellentétben a D családnak nincs kézszerű szerkezete, valószínűleg azért, mert ezek a sejtek evolúciós értelemben nagyon korai sejttípusok.
Polymerase család X funkció
Az X A DNS-polimeráz családja az eukarióta sejtekre korlátozódik, és mind replikációs, mind javító szerepet játszik. Egyesek a mitokondriális DNS helyreállításán dolgoznak, ahol a magas oxidatív környezet ösztönzi a DNS károsodását. Mások egy vagy körülbelül tíz egymást követő nukleotidot javítanak a sejtmag DNS-ében. A mitokondriumban és a magban a javítás (bázis excíziós javítás) módszere hasonló. Az alapkivágási javítás (BER) egy olyan folyamat, amely különféle típusú enzimeket használ, beleértve a DNS-glikozilázt és az endonukleázokat. Az X-család DNS-polimeráza (Pol béta és Pol lambda) képezi ennek a helyreállításnak az aktív helyét, és beilleszti a megfelelő nukleotidot. Ha az X-család DNS-polimerázainak génje megsérül, a BER-folyamatokat negatívan befolyásolja, és ez bizonyos ráktípusokkal társul.Néhány, ezekre a rákokra kifejlesztett új célzott terápia gátolja a hibás báziskivágási mechanizmusokat.
Y polimeráz-család funkció
A DNS-polimeráz Y család replikatív és javító enzim, amely az eukarióta és a prokarióta sejtekben található meg. Mindezek a polimerázok nagyon hibára hajlamosak a hibás DNS-szekvenciák replikációjában, azonnali helyreállításában vagy megkerülésében betöltött szerepük szempontjából. Ugyanakkor ennek a polimerázcsaládnak túl alacsony szintje növelheti az ember hajlamát a rosszindulatú daganatokra. Ezért hasonlítják az Y családot néha kétélű kardhoz.
Az Y-család csoport akkor aktiválódik, amikor más DNS-polimerázok nem képesek hatást kifejteni. Állítólag biztonsági mechanizmusról van szó; ez megmagyarázhatja, miért gyakoribbak az ilyen típusú javítást követő mutációk.
Fordított transzkriptáz funkció
A vírusok, retrovírusok és eukarióta sejtek RNS-függő reverz transzkriptáz enzimeket tartalmaznak. Ezek az enzimek – a DNS-polimeráz csoport része – teszik veszélyessé a vírusokat. Mivel a vírus csak RNS-t tartalmaz, meg kell csalnia egy mikroorganizmust vagy sejtet annak reprodukciójába. Ha sejtjeink csak az RNS-t másolják, akkor egy vagy két szokatlan fehérjét termelhetnek egy riboszómában, de ezek nem segítik a vírus szaporodását. Ehelyett a vírusos RNS-nek valamilyen módon a DNS templátum részévé kell tennie magát, hogy a sejt állandó változásokon megy keresztül. Ezt reverz transzkriptáz enzimek felhasználásával teszi.
Ezek az enzimek egyszálú RNS templátból kettős szálú DNS-t állítanak elő a reverz transzkripció néven ismert eljárás során. A mutációk gyakoriak. Az alábbi kép azt mutatja, hogy az emberi immunhiányos vírus hogyan replikálódik egy T-limfocitában. A reverz transzkripció a vírus növekedését úgy indítja el, hogy a sejtet olyan komponensek termelésével csalja el, amelyek összeállnak, és így több vírust képeznek a szerkesztett DNS-ből.
A legtöbb reverz transzkripciós folyamat káros vírusfertőzések eredménye, ahol az egyszálú vírusos RNS átmásolják, hogy egy dupla DNS-szálat képezzen, amely vírusfehérjéket állít elő. Ezt reverz transzkriptáz segítségével hajtják végre (reverz, mert a szokásos módszer a kettős szálú DNS használata egyetlen szál RNS előállításához).
Tesztelés a COVID-19 (SARS-CoV-2) során 2020-ban – mint minden vírusfertőzés-teszt esetében – vírusos RNS-ek kivonására van szükség. A laboratóriumok reverz transzkriptáz-polimeráz láncreakciónak (rt-PCR) nevezett eljárást alkalmaznak. Az Rt-PCR megértése nem annyira bonyolult, mint amilyennek hangozhat. Ez a teszt komplementer DNS-t (cDNS) vagy DNS-t állít elő, amelyet kis mennyiségű vírusos RNS-ből másolnak. Mivel ez az eljárás csak nagyon kis mennyiségű cDNS-t termel, az eredményeket meg kell erősíteni annak replikálásával. Miután elegendő mennyiségben előállt, a vírusgenom kimutatható.