定義
DNAポリメラーゼは、DNAの合成、修復、複製に関与する重要な酵素グループです。これらの酵素はすべての生物に見られます。もともとは大腸菌の研究で発見されましたが、今では構造は似ているが機能が異なる複数の品種がわかっています。これらの品種は機能に応じてファミリーに分類され、遺伝子工学の分野でも使用されています。
DNAポリメラーゼ機能
DNAポリメラーゼは、DNA合成のメカニズムにおいてさまざまな役割を果たします。修復、および複製。 DNAポリメラーゼは、真核生物、ウイルス、酵母、細菌の7つの異なるファミリーに分類されます。これらの7つのファミリーは、A、B、C、D、X、Y、および逆転写酵素（RT）です。将来の研究でさらにグループが発見される可能性があります。
これらの各ファミリーには、独自の機能範囲を持つDNAポリメラーゼのサブセットが含まれています。たとえば、DNAポリメラーゼIはAファミリーのメンバーです。 DNAポリメラーゼIVまたはDinBはXファミリーのメンバーです。すべての名前を覚える必要はありませんが、グループごとの基本的な機能は、タンパク質合成、遺伝子変異、遺伝子改変をよりよく理解するのにも役立ちます。
DNAポリメラーゼの構造は右手の親指に例えられます。手のひら、指、親指で。タイプライターを介してリボンのようなDNAポリメラーゼ分子を移動するDNAの鎖を想像することができます。非常に簡単に言えば、指はヌクレオチドを認識することによって解凍されたDNA鎖を注意深く配置するのに役立ち、手のひらはリン酸化が起こる活性部位であり（リン酸骨格を追加）、親指はDNAが出るときに二重らせんの形に結合しますDNAポリメラーゼ分子。しかし、すべてのDNAポリメラーゼファミリーが同じ構造成分を持っているわけではありません。さまざまなファミリーをもう少し詳しく見てみましょう。
ポリメラーゼファミリーA
ファミリーAは、DNA複製またはDNA修復酵素のグループです。 DNA複製では、ヌクレオチド塩基を適切なパートナーに一致させます。これは、細胞が分裂する準備をし、一本鎖染色体が複製されて、母と娘の両方の細胞が完全なDNAセットを持つようにするたびに必要です。
DNAのコピーを作成する場合、DNAポリメラーゼ分子は、解凍されたテンプレート鎖上を走り、反対のヌクレオチドでコピーします。これにより、DNAのコード鎖の正確なコピーが作成されます。さまざまなファミリーA酵素がDNA修復に役立ちます。新しく生成された鎖に欠陥のある塩基がないかチェックし、欠陥が見つかった場合はそれらを置き換えます。
ファミリーADNAポリメラーゼの例としては、Pol I、Polγ（ガンマ）、 Polθ（シータ）。しばしばPolIファミリー（Polはポリメラーゼの略）と呼ばれ、各サブタイプには特定の作用があります。
DNAポリメラーゼが原核細胞にあるのか真核細胞にあるのかは、彼らの名前。ポリメラーゼにローマ数字（Pol III、Pol Iなど）が割り当てられると、その酵素は原核生物（単細胞）に見られます。真核生物では、サブタイプはギリシャ語のアルファベット（Pol delta、Pol thetaなど）に従って名前が付けられます。ファミリーには、単細胞および/または多細胞生物のDNAポリメラーゼを含めることができます。
PolγはミトコンドリアDNAを複製できる唯一のDNAポリメラーゼです（そしてファミリーXのDNAポリメラーゼのみがmtDNA修復を実行します）。
ポルシータ（DNAポリメラーゼシータ）は、壊れた端を再結合することにより、DNA内の二本鎖切断を修復します。ポルシータ（θ）の生成をコードする遺伝子の損傷は、修復されずに破損が積み重なることを意味します。ただし、シータを介したエンドジョイン（TMEJ）は、他のDNA修復メカニズムと比較した場合に突然変異のリスクを高めます。このため、欠陥のあるPolθ遺伝子は多くの形態の癌に関連しています。
このような疾患とDNAの研究により、ファミリーA DNAポリメラーゼは、さまざまな形態の癌の理解と治療に役立っています。別のAファミリーの例は、ストランド間クロスリンク（ICL）のフックを解除するのに役立つPolnuです。ストランド間クロスリンクとは何ですか？第二次世界大戦で使用されたマスタードガスについて聞いたことがありますか？このガスを大量に吸い込むと死ぬ可能性がありますが、数千人の兵士が暴露を生き延びました。時が経つにつれ、医師はこれらの勇敢な男性がマスタードガスに一度もさらされたことがない人々よりも呼吸器系の癌で死亡する可能性が高いことを発見しました。ガスは肺に入り、肺細胞のDNAと直接反応し、1つのヌクレオチド鎖をそれらのパートナーではない反対のヌクレオチドに結び付けました（対角線または架橋）。これらの余分な結合により、複製前にDNAを解凍することが困難になり、複製が発生したときに、コードのコピーに誤りがありました。これらの間違いは時間とともに増大し、コピーされた多くのDNA障害を引き起こし、遺伝子変異を引き起こしました。これらの突然変異は、欠陥のある細胞または癌の生成につながりました。マスタードガスの場合、これは肺がんでした。
Pol nu（POLν）は、これらの非常に損傷の大きいストランド間架橋を解決するために特別に製造されています。それは大量に作られておらず、バックアップ酵素のようですが、それ以上のものがあるかもしれません。 2003年に発見されたばかりですが、Polnuのようなあまり知られていないDNAポリメラーゼが多くの注目を集めています。その理由の1つは、乳がん細胞の約50％が、細胞形成位置（位置）4p16.2で削除された領域を示していることです。つまり、第4染色体、短腕（p）、領域16、バンド2）です。下の画像では、最も左にある位置です。また、これがPolnu合成の遺伝子が存在する場所であることに注意することも重要です。
ポリメラーゼファミリーBの機能
DNAポリメラーゼBファミリーの酵素は、細胞分裂の過程で重要です。彼らは新しく複製され合成されたDNAをチェックします。このファミリーには、原核生物と真核生物の両方のポリメラーゼが含まれます。
Pol alpha（ギリシャ語の文字、つまり真核生物のポリメラーゼ）は、DNA複製プロセスを開始し、損傷領域をPolなどの他のBファミリーDNAポリメラーゼに伝達します。デルタおよびポールイプシロン。これらの障害はすぐに修正されるため、成功する可能性がはるかに高く、ミスマッチ修復（間違ったヌクレオチドを損傷したDNA鎖に一致させる）のリスクは低くなります。
ミスマッチ修復の例は以前に結合したグアニンとチミンのペアを置き換えて、DNAにグアニンとシトシンのペアを生成します。チミンは誤ってシトシンに置換されます。細菌と真核生物のDNAポリメラーゼは、損傷認識と損傷修復メカニズムの両方の中心です。
ポリメラーゼファミリーC機能
DNAポリメラーゼC機能は細菌にのみ見られますが、忘れてはなりません。バクテリアは、平均的な体内で人間の細胞を10対1上回っています。これらの大部分は私たちの健康に不可欠であり、消化器系を助け、システムと臓器の機能を改善する化学物質を生成します。まれに、病原菌がコロニーを形成して病気や病気の症状を引き起こします。ファミリーC–しばしばPolCと呼ばれる–は、最も重要な細菌DNA複製ポリメラーゼグループです。ファミリーCは修復ポリメラーゼではありません。
薬剤耐性菌が増加しているため、新しい抗菌剤がますます必要になっています。新しい研究分野には、PolCを直接標的とする抗生物質の開発が含まれます。この潜在的な新しい広域スペクトル薬は、健康で病原性のあるすべての種類の細菌の複製を防ぐ可能性がありますが、さらに重要なことに、これらの薬はまだ開発の初期段階にあり、細菌の抗生物質耐性につながるメカニズムを回避します。
ポリメラーゼファミリーD機能
Euryarchaeotaは、極端な環境（極限性菌）を好むとよく言われるグラム陽性菌とグラム陰性菌のグループについて説明しています。しかし、これらのバクテリアは、深海のシルトから消化器系まで、あらゆる種類の環境で生きて増殖します。彼らは、DNA複製にDファミリーDNAポリメラーゼ（PolD）を使用しています。このグループの突然変異率は、PolBDNAポリメラーゼの突然変異率と比較すると非常に高いです。また、他のポリメラーゼとは異なり、ファミリーDは手のような構造を持っていません。おそらく、これらの細胞は進化的に言えば、非常に初期の細胞タイプであるためです。
ポリメラーゼファミリーXの機能
X DNAポリメラーゼのファミリーは真核細胞に限定されており、複製と修復の両方の役割を果たします。いくつかは、高酸化環境がDNA損傷を助長するミトコンドリアDNAを修復するために働きます。他の人は、細胞核のDNAの1から（およそ）10の連続したヌクレオチドを修復します。ミトコンドリアと核の修復（塩基除去修復）の方法は似ています。塩基除去修復（BER）は、DNAグリコシラーゼやエンドヌクレアーゼなどのさまざまな種類の酵素を使用するプロセスです。この修復の活性部位を形成し、正しいヌクレオチドを挿入するのは、XファミリーDNAポリメラーゼ（PolベータおよびPolラムダ）です。 XファミリーDNAポリメラーゼの遺伝子が損傷している場合、BERプロセスは悪影響を受け、これは特定の種類の癌に関連しています。これらの癌のために開発されたいくつかの新しい標的療法は、欠陥のある塩基除去修復メカニズムを阻害します。
ポリメラーゼファミリーY機能
DNAポリメラーゼYファミリーは、真核細胞および原核細胞に見られる複製修復酵素です。これらのポリメラーゼはすべて、複製および欠陥のあるDNA配列の即時修復またはバイパスにおけるそれらの役割に関して、非常にエラーが発生しやすい傾向があります。それでも同時に、このポリメラーゼファミリーのレベルが低すぎると、悪性腫瘍に対する感受性が高まる可能性があります。これが、Yファミリーが両刃の剣に例えられることがある理由です。
Yファミリーグループは、他のDNAポリメラーゼが効果を発揮できないときに活性化します。これはバックアップメカニズムであると想定されています。これは、このタイプの修復後の変異がより一般的である理由を説明している可能性があります。
逆転写酵素機能
ウイルス、レトロウイルス、および真核細胞には、RNA依存性逆転写酵素が含まれています。 DNAポリメラーゼグループの一部であるこれらの酵素は、ウイルスを危険なものにします。ウイルスにはRNAしか含まれていないため、微生物や細胞をだまして複製させる必要があります。私たちの細胞がRNAをコピーしただけの場合、リボソームで1つまたは2つの異常なタンパク質を生成する可能性がありますが、これらはウイルスの増殖を助けません。代わりに、ウイルスRNAは、細胞が永続的に変化するように、何らかの形でDNAテンプレートの一部にする必要があります。これは、逆転写酵素を使用して行われます。
これらの酵素は、逆転写と呼ばれるプロセスで一本鎖RNAテンプレートから二本鎖DNAを生成します。突然変異は一般的です。下の画像は、ヒト免疫不全ウイルスがTリンパ球でどのように複製するかを示しています。逆転写は、細胞をだまして、編集されたDNAからより多くのウイルスを形成するように組み立てるコンポーネントを生成することにより、ウイルスの増殖を開始します。
ほとんどの逆転写プロセスは、一本鎖ウイルスRNAが有害なウイルス感染の結果です。コピーされて二重DNA鎖を形成し、ウイルスタンパク質を生成します。これは逆転写酵素によって行われます（通常の方法は二本鎖DNAを使用して一本鎖RNAを生成するため逆です）。
2020年のCOVID-19（SARS-CoV-2）でのテスト–すべてのウイルス感染検査と同様に–ウイルスRNA抽出が必要です。研究所では、逆転写酵素-ポリメラーゼ連鎖反応（rt-PCR）と呼ばれるプロセスを使用しています。 Rt-PCRは、聞こえるほど理解するのは複雑ではありません。このテストでは、相補DNA（cDNA）または少量のウイルスRNAからコピーされたDNAが生成されます。この手順では非常に少量のcDNAしか生成されないため、結果を複製して増幅する必要があります。十分な量が生成されると、ウイルスゲノムを検出できます。