Definizione
La DNA polimerasi è un importante gruppo enzimatico coinvolto nella sintesi, riparazione e replicazione del DNA; questi enzimi si trovano in tutti gli organismi viventi. Scoperto originariamente durante la ricerca sui batteri Escherichia coli, ora conosciamo più varietà con strutture simili ma funzioni diverse. Queste varietà sono raggruppate in famiglie in base alla funzione e sono utilizzate anche nel campo dell’ingegneria genetica.
Funzione della DNA polimerasi
La DNA polimerasi ha ruoli diversi nei meccanismi di sintesi del DNA, riparazione e replica. La DNA polimerasi è classificata in sette diverse famiglie in eucarioti, virus, lieviti e batteri. Queste sette famiglie sono A, B, C, D, X, Y e trascrittasi inversa (RT). La ricerca futura potrebbe scoprire ulteriori gruppi.
Ciascuna di queste famiglie contiene un sottoinsieme di DNA polimerasi che hanno la propria gamma di funzioni. Ad esempio, la DNA polimerasi I è un membro della famiglia A; La DNA polimerasi IV o DinB è un membro della famiglia X. Non avrai bisogno di memorizzare tutti i nomi, ma la funzione di base per gruppo ti aiuterà anche a comprendere meglio la sintesi proteica, la mutazione genica e la modificazione genica.
La struttura della DNA polimerasi è paragonata a quella di una mano destra con il palmo, le dita e il pollice. Puoi immaginare un filamento di DNA che si muove attraverso una molecola di DNA polimerasi come il nastro attraverso una macchina da scrivere. In poche parole, le dita aiutano a posizionare con attenzione il filamento di DNA decompresso riconoscendo i nucleotidi, il palmo è il sito attivo in cui si verifica la fosforilazione (aggiungendo la spina dorsale del fosfato) e il pollice lega il DNA in una forma a doppia elica quando esce la molecola della DNA polimerasi. Ma non tutte le famiglie di DNA polimerasi hanno gli stessi componenti strutturali. Esaminiamo le diverse famiglie in modo un po ‘più dettagliato.
Famiglia di polimerasi A
La famiglia A è un gruppo di enzimi di replicazione del DNA o di riparazione del DNA. Nella replicazione del DNA, abbinano una base nucleotidica al partner giusto. Ciò è necessario ogni volta che una cellula si prepara a dividersi e il cromosoma a filamento singolo viene duplicato in modo che entrambe le cellule, madre e figlia, abbiano un set completo di DNA.
Se si deve fare una copia del DNA, le molecole di DNA polimerasi corrono sul filo stampo decompresso e lo copiano con nucleotidi opposti. Questo produce una copia esatta del filamento codificante del DNA. Diversi enzimi della famiglia A aiutano nella riparazione del DNA: controllano i filamenti appena prodotti per le basi difettose e li sostituiscono se vengono rilevati difetti.
Esempi di DNA polimerasi della famiglia A sono Pol I, Pol γ (gamma) e Pol θ (theta). Spesso indicato come la famiglia Pol I (Pol è l’abbreviazione di polimerasi), ogni sottotipo ha un’azione specifica.
Puoi sempre dire se una DNA polimerasi si trova nelle cellule procariotiche o eucariotiche osservando i loro nomi. Quando a una polimerasi vengono assegnati numeri romani (Pol III, Pol I e così via), quell’enzima si trova negli organismi procarioti (unicellulari). Negli eucarioti, i sottotipi sono denominati in base all’alfabeto greco (Pol delta, Pol theta e così via). Le famiglie possono contenere DNA polimerasi per organismi monocellulari e / o multicellulari.
Pol γ è l’unica DNA polimerasi in grado di replicare il DNA mitocondriale (e solo le DNA polimerasi della famiglia X effettuano la riparazione del mtDNA).
Pol theta (DNA polimerasi theta) ripara le rotture a doppio filamento all’interno del DNA riunendo le estremità rotte. Il danno al gene che codifica per la produzione di Pol theta (θ) significa che le rotture iniziano ad accumularsi senza essere riparate; tuttavia, l’unione dell’estremità mediata da theta (TMEJ) aumenta il rischio di mutazione rispetto ad altri meccanismi di riparazione del DNA. Per questo motivo, i geni Pol θ difettosi sono stati collegati a molte forme di cancro.
A causa di tali studi sulle malattie e sul DNA, le DNA polimerasi della famiglia A ci hanno aiutato a comprendere e trattare varie forme di cancro. Un altro esempio della famiglia A è Pol nu che aiuta a sganciare i collegamenti incrociati tra i fili (ICL). Cos’è un collegamento incrociato interstrand? Hai mai sentito parlare del gas mostarda, usato nella seconda guerra mondiale? Respirare questo gas in grandi quantità potrebbe uccidere, ma migliaia di soldati sono sopravvissuti all’esposizione. Col passare del tempo, i medici hanno scoperto che questi uomini coraggiosi avevano maggiori probabilità di morire di tumori del sistema respiratorio rispetto alle persone che non erano mai state esposte al gas mostarda.Il gas è entrato nei polmoni e ha reagito direttamente con il DNA delle cellule polmonari, legando insieme un filamento nucleotidico a nucleotidi opposti che non erano i loro partner (legami diagonali o incrociati). Questi legami extra rendevano difficile decomprimere il DNA prima della replicazione e, quando si verificava la replicazione, venivano commessi degli errori nella copia del codice. Questi errori si sono moltiplicati nel tempo, causando molti difetti del DNA che sono stati copiati e hanno causato mutazioni genetiche. Queste mutazioni hanno portato alla produzione di cellule difettose o cancro. Nel caso del gas mostarda, si trattava di cancro ai polmoni.
Pol nu (POLν) viene prodotto specificamente per cercare di risolvere questi legami incrociati tra i fili altamente dannosi. Non è prodotto in grandi quantità e sembra essere più un enzima di riserva, ma potrebbe esserci di più. Sebbene scoperte solo nel 2003, le DNA polimerasi meno conosciute come Pol nu stanno ricevendo molta attenzione. Uno dei motivi è che circa il 50% delle cellule di cancro al seno mostra aree cancellate nella posizione citogena (posizione) 4p16.2 – cioè il cromosoma 4, braccio corto (p), regione 16, banda 2). Nell’immagine sotto, è la posizione più a sinistra. È anche importante notare che questo è esattamente dove si trova il gene per la sintesi Pol nu.
Funzione della famiglia B della polimerasi
Gli enzimi della famiglia della DNA polimerasi B sono importanti durante il processo di divisione cellulare. Controllano il DNA appena replicato e sintetizzato. La famiglia include polimerasi procariote ed eucariote.
Pol alpha (una lettera greca, quindi una polimerasi eucariota) avvia il processo di replicazione del DNA e comunica le aree di danno ad altre DNA polimerasi della famiglia B come Pol delta e Pol epsilon. Poiché questi difetti vengono risolti immediatamente, è molto più probabile che abbiano successo e il rischio di riparazione del disadattamento (abbinamento del nucleotide sbagliato a un filamento di DNA danneggiato) è basso.
Un esempio di riparazione del disadattamento è il sostituzione di una coppia di guanina e timina precedentemente legata per produrre una coppia di guanina e citosina nel DNA, dove la timina è erroneamente sostituita con citosina. Le DNA polimerasi batteriche ed eucariote sono fondamentali sia per il riconoscimento del danno che per i meccanismi di riparazione del danno.
Funzione della famiglia C della polimerasi
Anche se le funzioni della DNA polimerasi C si trovano solo nei batteri, non dovremmo mai dimenticarlo i batteri superano le cellule umane di dieci a uno e all’interno del corpo medio. La maggior parte di questi sono essenziali per la nostra salute, assistono il sistema digestivo e producono sostanze chimiche che migliorano la funzione del sistema e degli organi. Meno spesso, i batteri patogeni colonizzano per produrre sintomi di malattia e malattia. La famiglia C – spesso indicata come PolC – è il più importante gruppo batterico della polimerasi di replicazione del DNA. La famiglia C non è una polimerasi riparatrice.
Con l’aumento dei batteri resistenti ai farmaci, nuovi agenti antibatterici stanno diventando sempre più necessari. Nuove aree di ricerca includono lo sviluppo di antibiotici che prendono di mira direttamente PolC. Questo potenziale nuovo farmaco ad ampio spettro potrebbe impedire la replicazione in tutti i tipi di batteri, sani e patogeni, ma ancora più importante, questi farmaci – che sono ancora nelle prime fasi di sviluppo – evitano i meccanismi che portano alla resistenza batterica agli antibiotici.
Funzione della famiglia D della polimerasi
Euryarchaeota descrive un gruppo di batteri gram-positivi e gram-negativi che spesso si dice preferiscano ambienti estremi (estremofili). Tuttavia, questi batteri vivono e si moltiplicano in tutti i tipi di ambienti, dai limi marini profondi ai nostri sistemi digestivi. Usano DNA polimerasi della famiglia D (PolD) per la replicazione del DNA. I tassi di mutazione in questo gruppo sono molto elevati rispetto a quelli delle PolB DNA polimerasi. E a differenza di altre polimerasi, la famiglia D non ha una struttura simile a una mano, probabilmente perché queste cellule sono, evolutivamente parlando – tipi di cellule primordiali.
Funzione della famiglia X della polimerasi
La X famiglia di DNA polimerasi è limitata alle cellule eucariotiche e svolge sia ruoli replicativi che riparatori. Alcuni lavorano per riparare il DNA mitocondriale in cui ambienti altamente ossidativi incoraggiano il danno al DNA. Altri riparano da uno a (circa) dieci nucleotidi consecutivi nel DNA del nucleo cellulare. Il metodo di riparazione (riparazione per escissione della base) nel mitocondrio e nel nucleo è simile. La riparazione dell’escissione delle basi (BER) è un processo che utilizza vari tipi di enzimi, tra cui la DNA glicosilasi e le endonucleasi. È la DNA polimerasi della famiglia X (Pol beta e Pol lambda) che forma il sito attivo per questa riparazione e inserisce il nucleotide corretto. Se il gene per le DNA polimerasi della famiglia X è danneggiato, i processi BER sono influenzati negativamente e questo è associato a determinati tipi di cancro.Alcune nuove terapie mirate sviluppate per questi tumori inibiscono i meccanismi difettosi di riparazione dell’escissione della base.
Funzione Y della famiglia della polimerasi
La famiglia della DNA polimerasi Y è un enzima replicativo e di riparazione che si trova nelle cellule eucariotiche e procariotiche. Tutte queste polimerasi sono molto soggette a errori rispetto al loro ruolo nella replicazione e nella riparazione immediata o nel bypass di sequenze di DNA difettose. Tuttavia, allo stesso tempo, livelli troppo bassi di questa famiglia di polimerasi possono aumentare la suscettibilità ai tumori maligni. Questo è il motivo per cui la famiglia Y a volte viene paragonata a un’arma a doppio taglio.
Il gruppo della famiglia Y si attiva quando altre DNA polimerasi non sono in grado di produrre un effetto. Dovrebbe essere un meccanismo di backup; questo potrebbe spiegare perché le mutazioni che seguono questo tipo di riparazione sono più comuni.
Funzione di trascrittasi inversa
I virus, i retrovirus e le cellule eucariote contengono enzimi della trascrittasi inversa dipendenti dall’RNA. Questi enzimi – parte del gruppo DNA polimerasi – sono ciò che rende pericolosi i virus. Poiché un virus contiene solo RNA, deve indurre un microrganismo o una cellula a riprodurlo. Se le nostre cellule copiassero solo l’RNA, potrebbero produrre una o due proteine insolite in un ribosoma, ma queste non aiuterebbero il virus a moltiplicarsi. Invece, l’RNA virale deve in qualche modo rendersi parte del modello di DNA in modo che la cellula subisca cambiamenti permanenti. Lo fa utilizzando enzimi della trascrittasi inversa.
Questi enzimi producono DNA a doppio filamento da un modello di RNA a filamento singolo in un processo noto come trascrizione inversa. Le mutazioni sono comuni. L’immagine sotto mostra come il virus dell’immunodeficienza umana si replica in un linfocita T. La trascrizione inversa avvia la crescita del virus inducendo la cellula a produrre componenti che si assemblano per formare più virus dal DNA modificato.
La maggior parte dei processi di trascrizione inversa sono il risultato di infezioni virali dannose, dove l’RNA virale a filamento singolo viene copiato per formare un doppio filamento di DNA che andrà a produrre proteine virali. Questo viene fatto mediante trascrittasi inversa (inversa perché il metodo usuale è usare il DNA a doppia elica per produrre un singolo filamento di RNA).
Test durante il COVID-19 (SARS-CoV-2) nel 2020 – come con tutti i test di infezione virale – richiede l’estrazione dell’RNA virale. I laboratori utilizzano un processo chiamato reazione a catena della trascrittasi inversa-polimerasi (rt-PCR). Rt-PCR non è così complicato da capire come potrebbe sembrare. Questo test produce DNA complementare (cDNA) o DNA che viene copiato da piccole quantità di RNA virale. Poiché questa procedura produce solo quantità molto piccole di cDNA, i risultati devono essere amplificati replicandolo. Una volta prodotto in quantità sufficienti, il genoma virale può essere rilevato.