정의
DNA 중합 효소는 DNA 합성, 복구 및 복제에 관련된 중요한 효소 그룹입니다. 이 효소는 모든 살아있는 유기체에서 발견됩니다. 원래 대장균에 대한 연구에서 발견 된 우리는 구조가 비슷하지만 기능이 다른 여러 종류를 알고 있습니다. 이러한 품종은 기능에 따라 가족으로 분류되며 유전 공학 분야에서도 사용됩니다.
DNA 중합 효소 기능
DNA 중합 효소는 DNA 합성 메커니즘에서 다양한 역할을합니다. 수리 및 복제. DNA 중합 효소는 진핵 생물, 바이러스, 효모 및 박테리아의 7 가지 계열로 분류됩니다. 이 7 가지 계열은 A, B, C, D, X, Y 및 역전사 효소 (RT)입니다. 향후 연구에서 더 많은 그룹을 발견 할 수 있습니다.
각 제품군에는 고유 한 기능 범위를 가진 DNA 중합 효소의 하위 집합이 포함되어 있습니다. 예를 들어, DNA 중합 효소 I은 A 계열의 구성원입니다. DNA 중합 효소 IV 또는 DinB는 X 계열의 구성원입니다. 모든 이름을 외울 필요는 없지만 그룹 별 기본 기능은 단백질 합성, 유전자 돌연변이 및 유전자 변형을 더 잘 이해하는 데 도움이됩니다.
DNA 중합 효소의 구조는 오른손에 비유됩니다. 손바닥, 손가락 및 엄지로. 리본처럼 DNA 중합 효소 분자를 통해 타자기를 통해 움직이는 DNA 가닥을 상상할 수 있습니다. 간단히 말해서, 손가락은 뉴클레오티드를 인식하여 압축이 풀린 DNA 가닥을 조심스럽게 배치하는 데 도움이됩니다. 손바닥은 인산화가 발생하는 활성 부위 (인산 백본 추가)이며, 엄지 손가락은 DNA가 빠져 나 가면서 이중 나선 형태로 결합합니다. DNA 중합 효소 분자. 그러나 모든 DNA 중합 효소 패밀리가 동일한 구조적 구성 요소를 갖는 것은 아닙니다. 다른 계열을 좀 더 자세히 살펴 보겠습니다.
폴리머 라제 패밀리 A
패밀리 A는 DNA 복제 또는 DNA 복구 효소 그룹입니다. DNA 복제에서 그들은 뉴클레오티드 염기를 올바른 파트너와 일치시킵니다. 이것은 세포가 분열을 준비 할 때마다 필요하며 단일 가닥 염색체가 복제되어 엄마와 딸 모두 완전한 DNA 세트를 갖습니다.
DNA의 사본을 만들려면 DNA 중합 효소 분자가 압축이 풀린 템플릿 가닥을지나 반대 뉴클레오티드로 복사합니다. 이것은 DNA의 코딩 가닥의 정확한 사본을 생성합니다. 서로 다른 A 군 효소는 DNA 복구에 도움이됩니다. 새로 생성 된 가닥에서 결함이있는 염기를 확인하고 결함이 발견되면 교체합니다.
가족 A DNA 중합 효소의 예는 Pol I, Pol γ (감마) 및 Pol θ (세타). 종종 Pol I 계열이라고도하며 (Pol은 중합 효소의 약자입니다.) 각 하위 유형에는 특정 작용이 있습니다.
DNA 중합 효소가 원핵 세포에서 발견되는지 진핵 세포에서 발견되는지 항상 확인할 수 있습니다. 그들의 이름. 중합 효소에 로마 숫자 (Pol III, Pol I 등)가 할당되면 해당 효소는 원핵 생물 (단세포) 유기체에서 발견됩니다. 진핵 생물에서 하위 유형은 그리스 알파벳 (폴 델타, 폴 세타 등)에 따라 이름이 지정됩니다. 가족은 단세포 및 / 또는 다세포 유기체를위한 DNA 중합 효소를 포함 할 수 있습니다.
Pol γ는 미토콘드리아 DNA를 복제 할 수있는 유일한 DNA 중합 효소입니다 (그리고 family X DNA 중합 효소 만이 mtDNA 복구를 수행합니다).
폴 세타 (DNA 중합 효소 세타)는 끊어진 끝을 다시 결합하여 DNA 내의 이중 가닥 파손을 복구합니다. 폴 세타 (θ) 생산을 암호화하는 유전자의 손상은 파손이 복구되지 않고 쌓이기 시작 함을 의미합니다. 그러나 세타 매개 말단 결합 (TMEJ)은 다른 DNA 복구 메커니즘과 비교할 때 돌연변이의 위험을 증가시킵니다. 이 때문에 결함이있는 Pol θ 유전자는 여러 형태의 암과 관련이 있습니다.
이러한 질병 및 DNA 연구 덕분에 family A DNA 중합 효소는 다양한 형태의 암을 이해하고 치료하는 데 도움이되었습니다. 또 다른 A- 패밀리의 예는 ICL (Interstrand Cross-links)을 푸는 데 도움이되는 Pol nu입니다. interstrand cross-link는 무엇입니까? 제 2 차 세계 대전에 사용 된 겨자 가스에 대해 들어 보셨습니까? 이 가스를 대량으로 흡입하면 사망 할 수 있지만 수천 명의 군인이 노출 된 상태에서 살아 남았습니다. 시간이 지남에 따라 의사들은이 용감한 사람들이 겨자 가스에 노출 된 적이없는 사람들보다 호흡 기암으로 사망 할 가능성이 더 높다는 것을 발견했습니다.가스는 폐로 들어가 폐 세포의 DNA와 직접 반응하여 하나의 뉴클레오타이드 가닥을 파트너가 아닌 반대 뉴클레오타이드 (대각선 또는 교차 결합)에 연결했습니다. 이러한 추가 결합으로 인해 복제 전에 DNA 압축을 풀기가 어려웠으며 복제가 발생했을 때 코드를 복사 할 때 실수가 발생했습니다. 이러한 실수는 시간이 지남에 따라 증가하여 복제되어 유전자 돌연변이를 일으킨 많은 DNA 결함을 일으켰습니다. 이러한 돌연변이로 인해 결함이있는 세포 나 암이 생성되었습니다. 겨자 가스의 경우 이것은 폐암이었습니다.
Pol nu (POLν)는 이러한 손상이 심한 가닥 간 가교를 해결하기 위해 특별히 생산됩니다. 그것은 다량으로 만들어지지 않았고 백업 효소에 가깝지만 그것보다 더 많은 것이있을 수 있습니다. 2003 년에야 발견되었지만 Pol nu와 같은 잘 알려지지 않은 DNA 중합 효소가 많은 관심을 받고 있습니다. 그 이유 중 하나는 유방암 세포의 약 50 %가 세포 형성 위치 (위치) 4p16.2에서 삭제 된 영역을 보여주기 때문입니다. 즉, 염색체 4, 짧은 팔 (p), 영역 16, 밴드 2)입니다. 아래 이미지에서 가장 왼쪽에있는 위치입니다. 또한 여기에 Pol nu 합성 유전자가있는 정확한 위치에 유의해야합니다.
폴리머 라제 패밀리 B 기능
DNA 폴리머 라제 B 패밀리 효소는 세포 분열 과정에서 중요합니다. 새로 복제되고 합성 된 DNA를 확인합니다. 이 계열에는 원핵 생물과 진핵 생물 중합 효소가 모두 포함됩니다.
폴 알파 (그리스어 문자이므로 진핵 생물 중합 효소)는 DNA 복제 과정을 시작하고 Pol과 같은 다른 B 계열 DNA 중합 효소에 손상 영역을 전달합니다. 델타와 폴 엡실론. 이러한 결함은 즉시 수정되기 때문에 성공 가능성이 훨씬 더 높고 불일치 복구 (잘못된 뉴클레오티드와 손상된 DNA 가닥 일치)의 위험이 낮습니다.
불일치 복구의 예는 다음과 같습니다. DNA에서 구아닌과 시토신 쌍을 생성하기 위해 이전에 결합 된 구아닌과 티민 쌍을 대체하여 티민이 시토신으로 잘못 대체됩니다. 박테리아 및 진핵 생물 DNA 중합 효소는 손상 인식 및 손상 복구 메커니즘의 핵심입니다.
폴리머 라 아제 계열 C 기능
DNA 중합 효소 C 기능은 박테리아에서만 발견되지만 우리는이를 잊지 말아야합니다. 박테리아는 평균적인 신체 내에서 인간 세포보다 10 배 이상 많습니다. 이들 중 대부분은 우리의 건강에 필수적이며 소화 시스템을 돕고 시스템과 기관 기능을 개선하는 화학 물질을 생성합니다. 드물게 병원성 박테리아가 집락하여 질병 및 질병의 증상을 유발합니다. 종종 PolC라고도하는 패밀리 C는 가장 중요한 박테리아 DNA 복제 중합 효소 그룹입니다. Family C는 복구 중합 효소가 아닙니다.
약물 내성 박테리아가 증가함에 따라 새로운 항균제가 점점 더 필요 해지고 있습니다. 새로운 연구 분야에는 PolC를 직접 대상으로하는 항생제 개발이 포함됩니다. 이 잠재적 인 새로운 광범위 약물은 건강하고 병원 성인 모든 유형의 박테리아에서 복제를 방지 할 수 있지만 더 중요한 것은 아직 개발 초기 단계에있는 이러한 약물이 박테리아 항생제 내성을 유발하는 메커니즘을 피한다는 것입니다.
중합 효소 군 D 기능
Euryarchaeota는 종종 극한 환경 (극단적 환경)을 선호한다고 말하는 그람 양성 및 그람 음성 박테리아 그룹을 설명합니다. 그러나이 박테리아는 깊은 해양 미사에서 소화 시스템에 이르기까지 모든 종류의 환경에서 살고 증식합니다. 그들은 DNA 복제를 위해 D-family DNA 중합 효소 (PolD)를 사용합니다. 이 그룹의 돌연변이율은 PolB DNA 중합 효소에 비해 매우 높습니다. 그리고 다른 중합 효소와 달리 가족 D는 손과 같은 구조를 가지고 있지 않습니다. 아마도 이러한 세포는 진화론 적으로 말해서 매우 초기 세포 유형이기 때문일 것입니다.
중합 효소 가족 X 기능
X DNA 중합 효소 계열은 진핵 세포로 제한되며 복제 및 복구 역할을 모두 수행합니다. 일부는 높은 산화 환경이 DNA 손상을 조장하는 미토콘드리아 DNA를 복구하기 위해 노력합니다. 다른 이들은 세포핵의 DNA에서 1 ~ 10 개의 연속적인 뉴클레오티드를 복구합니다. 미토콘드리아와 핵의 복구 (기본 절제 복구) 방법은 유사합니다. 염기 절제 복구 (BER)는 DNA 글리코 실라 아제 및 엔도 뉴 클레아 제를 포함한 다양한 유형의 효소를 사용하는 프로세스입니다. 이 복구를위한 활성 부위를 형성하고 올바른 뉴클레오티드를 삽입하는 것은 X-family DNA 중합 효소 (Pol 베타 및 Pol lambda)입니다. X-family DNA 중합 효소의 유전자가 손상되면 BER 과정이 부정적인 영향을받으며 이는 특정 유형의 암과 관련이 있습니다.이러한 암을 위해 개발 된 일부 새로운 표적 요법은 결함있는 기저 절제 복구 메커니즘을 억제합니다.
폴리머 라제 계열 Y 기능
DNA 중합 효소 Y 계열은 진핵 및 원핵 세포에서 발견되는 복제 및 복구 효소입니다. 이러한 모든 중합 효소는 복제 및 결함있는 DNA 서열의 즉각적인 복구 또는 우회에서의 역할과 관련하여 오류가 발생하기 쉽습니다. 그러나 동시에이 중합 효소 계열의 수치가 너무 낮 으면 악성 종양에 대한 감수성을 높일 수 있습니다. 이것이 Y 가족이 때때로 양날의 검에 비유되는 이유입니다.
Y 가족 그룹은 다른 DNA 중합 효소가 효과를 만들 수 없을 때 활성화됩니다. 백업 메커니즘이어야합니다. 이것은 이러한 유형의 복구 후 돌연변이가 더 흔한 이유를 설명 할 수 있습니다.
역전사 효소 기능
바이러스, 레트로 바이러스 및 진핵 세포에는 RNA 의존적 역전사 효소가 포함되어 있습니다. DNA 중합 효소 그룹의 일부인이 효소는 바이러스를 위험하게 만듭니다. 바이러스는 RNA 만 포함하고 있기 때문에 미생물이나 세포를 속여서 복제해야합니다. 우리 세포가 RNA 만 복사했다면 리보솜에서 하나 또는 두 개의 특이한 단백질을 생산할 수 있지만 바이러스 증식에는 도움이되지 않습니다. 대신 바이러스 RNA는 세포가 영구적 인 변화를 겪도록 어떻게 든 DNA 주형의 일부가되어야합니다. 역전사 효소를 사용하여이를 수행합니다.
이러한 효소는 역전사로 알려진 과정에서 단일 가닥 RNA 주형에서 이중 가닥 DNA를 생성합니다. 돌연변이는 일반적입니다. 아래 이미지는 인간 면역 결핍 바이러스가 T 림프구에서 어떻게 복제되는지 보여줍니다. 역전사는 편집 된 DNA에서 더 많은 바이러스를 형성하기 위해 조립되는 구성 요소를 생성하도록 세포를 속여 바이러스의 성장을 시작합니다.
대부분의 역전사 과정은 유해한 바이러스 감염의 결과이며, 여기서 단일 가닥 바이러스 RNA 복제되어 바이러스 단백질을 만드는 이중 DNA 가닥을 형성합니다. 이는 역전사 효소에 의해 수행됩니다 (일반적인 방법은 이중 가닥 DNA를 사용하여 단일 가닥의 RNA를 생성하는 것이기 때문에 역전).
2020 년 COVID-19 (SARS-CoV-2) 동안 테스트 – 모든 바이러스 감염 테스트와 마찬가지로 – 바이러스 RNA 추출이 필요합니다. 실험실에서는 역전사 효소-중합 효소 연쇄 반응 (rt-PCR)이라는 프로세스를 사용합니다. Rt-PCR은 소리처럼 이해하기가 복잡하지 않습니다. 이 검사는 소량의 바이러스 RNA에서 복사 된 보완 DNA (cDNA) 또는 DNA를 생성합니다. 이 절차는 매우 적은 양의 cDNA 만 생성하므로 결과를 복제하여 증폭해야합니다. 충분한 양이 생성되면 바이러스 게놈을 감지 할 수 있습니다.