Definicja
Polimeraza DNA to ważna grupa enzymów zaangażowana w syntezę, naprawę i replikację DNA; te enzymy znajdują się we wszystkich żywych organizmach. Pierwotnie odkryta podczas badań nad bakteriami Escherichia coli, obecnie znamy wiele odmian o podobnej budowie, ale różnych funkcjach. Te odmiany są pogrupowane w rodziny według funkcji i są również używane w dziedzinie inżynierii genetycznej.
Funkcja polimerazy DNA
Polimeraza DNA pełni różne role w mechanizmach syntezy DNA, naprawa i replikacja. Polimeraza DNA jest podzielona na siedem różnych rodzin u eukariontów, wirusów, drożdży i bakterii. Te siedem rodzin to A, B, C, D, X, Y i odwrotna transkryptaza (RT). Przyszłe badania mogą odkryć dalsze grupy.
Każda z tych rodzin zawiera podzbiór polimeraz DNA, które mają własny zakres funkcji. Na przykład polimeraza DNA I jest członkiem rodziny A; Polimeraza DNA IV lub DinB jest członkiem rodziny X. Nie będziesz musiał zapamiętywać każdego imienia, ale podstawowa funkcja w każdej grupie pomoże ci również lepiej zrozumieć syntezę białek, mutacje genów i modyfikacje genów.
Strukturę polimerazy DNA porównuje się do prawej ręki dłonią, palcami i kciukiem. Możesz sobie wyobrazić pasmo DNA poruszające się przez cząsteczkę polimerazy DNA, jak wstążka na maszynie do pisania. Mówiąc najprościej, palce pomagają ostrożnie ustawić rozpiętą nić DNA poprzez rozpoznanie nukleotydów, dłoń jest miejscem aktywnym, w którym zachodzi fosforylacja (dodanie szkieletu fosforanowego), a kciuk wiąże DNA w postać podwójnej helisy, gdy wychodzi cząsteczka polimerazy DNA. Ale nie wszystkie rodziny polimeraz DNA mają te same elementy strukturalne. Przyjrzyjmy się różnym rodzinom bardziej szczegółowo.
Rodzina polimerazy A
Rodzina A to grupa enzymów do replikacji lub naprawy DNA. W replikacji DNA dopasowują podstawę nukleotydową do właściwego partnera. Jest to konieczne za każdym razem, gdy komórka przygotowuje się do podziału, a jednoniciowy chromosom jest zduplikowany, aby obie komórki, matka i córka, miały pełny zestaw DNA.
Jeśli ma zostać wykonana kopia DNA, cząsteczki polimerazy DNA przebiegają po rozpakowanej nici matrycowej i kopiują ją z przeciwnymi nukleotydami. Daje to dokładną kopię nici kodującej DNA. Różne enzymy z rodziny A pomagają w naprawie DNA – sprawdzają nowo wyprodukowane nici pod kątem wadliwych zasad i zastępują je, jeśli zostaną znalezione błędy.
Przykłady polimeraz DNA z rodziny A to Pol I, Pol γ (gamma) i Pol θ (theta). Często nazywana rodziną Pol I (Pol jest skrótem od polimerazy), każdy podtyp ma określone działanie.
Zawsze możesz stwierdzić, czy polimeraza DNA występuje w komórkach prokariotycznych lub eukariotycznych, patrząc na ich imiona. Kiedy polimerazie są przypisane cyfry rzymskie (Pol III, Pol I itd.), Enzym ten znajduje się w organizmach prokariotycznych (jednokomórkowych). U eukariontów podtypy są nazywane zgodnie z alfabetem greckim (pol delta, pol theta itd.). Rodziny mogą zawierać polimerazy DNA dla organizmów jedno- i / lub wielokomórkowych.
Pol γ jest jedyną polimerazą DNA zdolną do replikacji mitochondrialnego DNA (i tylko polimerazy DNA z rodziny X przeprowadzają naprawę mtDNA).
Pol theta (polimeraza DNA theta) naprawia pęknięcia dwuniciowe w DNA poprzez ponowne połączenie złamanych końców. Uszkodzenie genu kodującego produkcję Pol theta (θ) oznacza, że pęknięcia zaczynają się gromadzić bez naprawy; jednak łączenie końców za pośrednictwem theta (TMEJ) zwiększa ryzyko mutacji w porównaniu z niektórymi innymi mechanizmami naprawy DNA. Z tego powodu wadliwe geny Pol θ zostały powiązane z wieloma postaciami raka.
Dzięki takim badaniom nad chorobami i DNA, polimerazy DNA z rodziny A pomogły nam zrozumieć i leczyć różne formy raka. Innym przykładem rodziny A jest Pol nu, który pomaga odczepić połączenia krzyżowe między nićmi (ICL). Co to jest wiązanie międzypasmowe? Czy słyszałeś kiedyś o gazie musztardowym używanym podczas II wojny światowej? Wdychanie tego gazu w dużych ilościach może spowodować śmierć, ale tysiące żołnierzy przeżyło narażenie. Z biegiem czasu lekarze stwierdzili, że ci odważni mężczyźni byli bardziej narażeni na śmierć z powodu raka układu oddechowego niż ludzie, którzy nigdy nie byli narażeni na działanie gazu musztardowego.Gaz dostał się do płuc i zareagował bezpośrednio z DNA komórek płuc, wiążąc razem jedną nić nukleotydową z przeciwnymi nukleotydami, które nie były ich partnerami (połączenia diagonalne lub poprzeczne). Te dodatkowe wiązania utrudniały rozpinanie DNA przed replikacją, a gdy wystąpiła replikacja, popełniono błędy w kopiowaniu kodu. Błędy te mnożyły się z czasem, powodując wiele błędów DNA, które były kopiowane i powodowały mutacje genów. Te mutacje doprowadziły do powstania wadliwych komórek lub raka. W przypadku gazu musztardowego był to rak płuc.
Pol nu (POLν) jest produkowany specjalnie w celu rozwiązania tych wysoce niszczących wiązań poprzecznych. Nie jest wytwarzany w dużych ilościach i wydaje się być bardziej enzymem zapasowym, ale może być w nim coś więcej. Chociaż mniej znane polimerazy DNA, takie jak Pol nu, zostały odkryte dopiero w 2003 roku, cieszą się dużym zainteresowaniem. Jednym z powodów jest to, że około 50% komórek raka piersi wykazuje usunięte obszary w cytogennej lokalizacji (pozycja) 4p16.2 – to jest chromosom 4, krótkie ramię (p), region 16, prążek 2). Na poniższym obrazku jest to pozycja najbardziej wysunięta na lewo. Należy również zauważyć, że dokładnie tam znajduje się gen syntezy Pol nu.
Funkcja polimerazy z rodziny B
Enzymy polimerazy DNA z rodziny B są ważne podczas procesu podziału komórki. Sprawdzają nowo zreplikowane i zsyntetyzowane DNA. Rodzina ta obejmuje zarówno polimerazy prokariota, jak i eukariota.
Pol alfa (litera grecka, czyli polimeraza eukariotyczna) uruchamia proces replikacji DNA i przekazuje obszary uszkodzeń innym polimerazom DNA z rodziny B, takim jak Pol delta i pol epsilon. Ponieważ usterki te są natychmiast naprawiane, prawdopodobieństwo ich powodzenia jest znacznie większe, a ryzyko naprawy niedopasowania (dopasowanie niewłaściwego nukleotydu do uszkodzonej nici DNA) jest niskie.
Przykładem naprawy niedopasowania jest zastąpienie wcześniej związanej pary guaniny i tyminy w celu wytworzenia pary guanina i cytozyna w DNA, gdzie tymina jest błędnie podstawiona cytozyną. Bakteryjne i eukariotyczne polimerazy DNA odgrywają kluczową rolę zarówno w rozpoznawaniu uszkodzeń, jak i mechanizmach naprawy uszkodzeń.
Funkcja rodziny polimerazy C
Chociaż funkcje polimerazy C DNA występują tylko w bakteriach, nigdy nie powinniśmy zapominać, że liczba bakterii przewyższa liczbę komórek ludzkich o dziesięć do jednego na i wewnątrz przeciętnego organizmu. Większość z nich jest niezbędna dla naszego zdrowia, wspomagając układ trawienny i wytwarzając substancje chemiczne poprawiające funkcjonowanie układu i narządów. Rzadziej bakterie chorobotwórcze kolonizują się, dając objawy chorobowe i chorobowe. Rodzina C – często określana jako PolC – jest najważniejszą grupą bakteryjnych polimerazy replikacji DNA. Rodzina C nie jest polimerazą naprawczą.
Wraz ze wzrostem liczby bakterii lekoopornych nowe środki przeciwbakteryjne stają się coraz bardziej potrzebne. Nowe obszary badań obejmują rozwój antybiotyków, które są bezpośrednio ukierunkowane na PolC. Ten potencjalny nowy lek o szerokim spektrum może zapobiegać replikacji we wszystkich typach bakterii, zdrowych i patogennych, ale co ważniejsze, leki te – które wciąż znajdują się na najwcześniejszych etapach rozwoju – unikają mechanizmów prowadzących do oporności bakterii na antybiotyki.
Funkcja rodziny polimerazy D
Euryarchaeota opisuje grupę bakterii Gram-dodatnich i Gram-ujemnych, o których często mówi się, że preferują środowiska ekstremalne (ekstremofile). Jednak te bakterie żyją i rozmnażają się w różnych środowiskach, od głębokich mułów morskich po nasz układ pokarmowy. Do replikacji DNA używają polimeraz DNA z rodziny D (PolD). Wskaźniki mutacji w tej grupie są bardzo wysokie w porównaniu z polimerazami DNA PolB. W przeciwieństwie do innych polimeraz, rodzina D nie ma struktury przypominającej dłoń, prawdopodobnie dlatego, że te komórki są, mówiąc ewolucyjnie, bardzo wczesnymi typami komórek.
Funkcja rodziny polimerazy X
X rodzina polimerazy DNA jest ograniczona do komórek eukariotycznych i odgrywa zarówno rolę replikacyjną, jak i naprawczą. Niektórzy pracują nad naprawą mitochondrialnego DNA, w którym środowisko o wysokim poziomie utleniania sprzyja uszkodzeniu DNA. Inni naprawiają od jednego do (w przybliżeniu) dziesięciu kolejnych nukleotydów w DNA jądra komórkowego. Metoda naprawy (naprawa przez wycięcie zasady) w mitochondrium i jądrze jest podobna. Naprawa przez wycinanie zasad (BER) to proces wykorzystujący różne typy enzymów, w tym glikozylazę DNA i endonukleazy. To polimeraza DNA z rodziny X (Pol beta i Pol lambda) tworzy miejsce aktywne dla tej naprawy i wstawia prawidłowy nukleotyd. Jeśli gen polimerazy DNA rodziny X jest uszkodzony, wpływa to negatywnie na procesy BER, co jest związane z niektórymi typami raka.Niektóre nowe terapie celowane opracowane dla tych nowotworów hamują wadliwe mechanizmy naprawy wycięcia podstawy.
Funkcja rodziny polimerazy Y
Rodzina polimerazy DNA Y jest enzymem replikującym i naprawczym występującym w komórkach eukariotycznych i prokariotycznych. Wszystkie te polimerazy są bardzo podatne na błędy w odniesieniu do ich roli w replikacji i natychmiastowej naprawie lub pomijaniu wadliwych sekwencji DNA. Jednocześnie jednak zbyt niski poziom tej rodziny polimeraz może zwiększyć podatność na nowotwory złośliwe. Dlatego rodzina Y jest czasami porównywana do miecza obosiecznego.
Grupa z rodziny Y aktywuje się, gdy inne polimerazy DNA nie są w stanie wywrzeć efektu. Ma to być mechanizm rezerwowy; może to wyjaśniać, dlaczego mutacje występujące po tego typu naprawie są częstsze.
Funkcja odwrotnej transkryptazy
Wirusy, retrowirusy i komórki eukariotów zawierają zależne od RNA enzymy odwrotnej transkryptazy. Te enzymy – część grupy polimerazy DNA – powodują, że wirusy są niebezpieczne. Ponieważ wirus zawiera tylko RNA, musi nakłonić mikroorganizm lub komórkę do odtworzenia go. Gdyby nasze komórki kopiowały tylko RNA, mogłyby wyprodukować jedno lub dwa niezwykłe białka w rybosomie, ale te nie pomogłyby wirusowi w rozmnażaniu się. Zamiast tego wirusowe RNA musi w jakiś sposób stać się częścią matrycy DNA, aby komórka ulegała trwałym zmianom. Robi to za pomocą enzymów odwrotnej transkryptazy.
Enzymy te wytwarzają dwuniciowy DNA z jednoniciowej matrycy RNA w procesie znanym jako odwrotna transkrypcja. Mutacje są powszechne. Poniższy obraz pokazuje, jak ludzki wirus niedoboru odporności replikuje się w limfocytach T. Odwrotna transkrypcja inicjuje wzrost wirusa, nakłaniając komórkę do produkcji składników, które gromadzą się, tworząc więcej wirusów z edytowanego DNA.
Większość procesów odwrotnej transkrypcji jest wynikiem szkodliwych infekcji wirusowych, w których jednoniciowy RNA wirusa jest kopiowana w celu utworzenia podwójnej nici DNA, z której powstają białka wirusowe. Odbywa się to za pomocą odwrotnej transkryptazy (odwrotnej, ponieważ zwykłą metodą jest użycie dwuniciowego DNA do wytworzenia pojedynczej nici RNA).
Testy podczas COVID-19 (SARS-CoV-2) w 2020 r. – jak w przypadku wszystkich testów na infekcje wirusowe – wymaga ekstrakcji wirusowego RNA. Laboratoria stosują proces zwany reakcją łańcuchową odwrotnej transkryptazy-polimerazy (rt-PCR). Rt-PCR nie jest tak skomplikowane do zrozumienia, jak mogłoby się wydawać. Ten test daje DNA komplementarne (cDNA) lub DNA, które jest kopiowane z małych ilości wirusowego RNA. Ponieważ ta procedura wytwarza tylko bardzo małe ilości cDNA, wyniki muszą zostać wzmocnione przez jego replikację. Po wyprodukowaniu w wystarczających ilościach genom wirusa można wykryć.