Definição
DNA polimerase é um importante grupo de enzimas envolvido na síntese, reparo e replicação do DNA; essas enzimas são encontradas em todos os organismos vivos. Descoberto originalmente durante a pesquisa com a bactéria Escherichia coli, agora sabemos de múltiplas variedades com estruturas semelhantes, mas funções diferentes. Essas variedades são agrupadas em famílias de acordo com a função e também são usadas no campo da engenharia genética.
Função de DNA polimerase
DNA polimerase tem papéis variados nos mecanismos de síntese de DNA, reparo e replicação. A DNA polimerase é categorizada em sete famílias diferentes em eucariotos, vírus, leveduras e bactérias. Essas sete famílias são A, B, C, D, X, Y e transcriptase reversa (RT). Pesquisas futuras podem descobrir outros grupos.
Cada uma dessas famílias contém um subconjunto de DNA polimerases que têm sua própria gama de funções. Por exemplo, a DNA polimerase I é um membro da família A; A DNA polimerase IV ou DinB é um membro da família X. Você não precisará memorizar todos os nomes, mas a função básica por grupo também o ajudará a entender melhor a síntese de proteínas, mutação e modificação de genes.
A estrutura da DNA polimerase é comparada a uma mão direita com uma palma, dedos e polegar. Você pode imaginar uma fita de DNA movendo-se através de uma molécula de DNA polimerase como uma fita em uma máquina de escrever. Simplificando, os dedos ajudam a posicionar cuidadosamente a fita de DNA descompactada, reconhecendo os nucleotídeos, a palma da mão é o local ativo onde ocorre a fosforilação (adicionando a estrutura de fosfato), e o polegar liga o DNA em uma forma de dupla hélice quando sai a molécula de DNA polimerase. Mas nem todas as famílias de DNA polimerase têm os mesmos componentes estruturais. Vamos examinar as diferentes famílias com um pouco mais de detalhes.
Polimerase Família A
A família A é um grupo de replicação de DNA ou enzimas de reparo de DNA. Na replicação do DNA, eles combinam uma base de nucleotídeo ao parceiro certo. Isso é necessário sempre que uma célula se prepara para se dividir e o cromossomo de fita simples é duplicado para que ambas as células, mãe e filha, tenham um conjunto completo de DNA.
Se for necessário fazer uma cópia do DNA, as moléculas da DNA polimerase correm sobre a fita modelo descompactada e a copiam com nucleotídeos opostos. Isso produz uma cópia exata da fita codificadora do DNA. Diferentes enzimas da família A ajudam no reparo do DNA – elas verificam os filamentos recém-produzidos em busca de bases defeituosas e as substituem se forem encontradas falhas.
Exemplos de DNA polimerases da família A são Pol I, Pol γ (gama) e Pol θ (teta). Freqüentemente chamada de família Pol I (Pol é a abreviação de polimerase), cada subtipo tem uma ação específica.
Você sempre pode saber se uma DNA polimerase é encontrada em células procarióticas ou eucarióticas olhando para os nomes deles. Quando uma polimerase recebe algarismos romanos (Pol III, Pol I e assim por diante), essa enzima é encontrada em organismos procariotos (unicelulares). Nos eucariotos, os subtipos são nomeados de acordo com o alfabeto grego (Pol delta, Pol theta e assim por diante). As famílias podem conter polimerases de DNA para organismos unicelulares e / ou multicelulares.
Pol γ é a única DNA polimerase que pode replicar DNA mitocondrial (e apenas DNA polimerases da família X realizam reparo de mtDNA).
Pol teta (DNA polimerase teta) repara quebras de fita dupla dentro do DNA juntando novamente as pontas quebradas. Danos ao gene que codifica a produção de Pol theta (θ) significa que as quebras começam a se acumular sem serem reparadas; no entanto, a união de extremidade mediada por teta (TMEJ) aumenta o risco de mutação quando comparada a alguns outros mecanismos de reparo de DNA. Por causa disso, genes Pol θ defeituosos foram associados a muitas formas de câncer.
Devido a esses estudos sobre doenças e DNA, as DNA polimerases da família A nos ajudaram a compreender e tratar várias formas de câncer. Outro exemplo da família A é Pol nu, que ajuda a desenganchar ligações cruzadas entre cadeias (ICL). O que é um cross-link interstrand? Você já ouviu falar do gás mostarda, usado na Segunda Guerra Mundial? Respirar esse gás em grandes quantidades pode matar, mas milhares de soldados sobreviveram à exposição. Com o passar do tempo, os médicos descobriram que esses bravos homens tinham maior probabilidade de morrer de câncer no sistema respiratório do que pessoas que nunca haviam sido expostas ao gás mostarda.O gás entrou nos pulmões e reagiu diretamente com o DNA das células pulmonares, unindo uma fita de nucleotídeos a nucleotídeos opostos que não eram seus parceiros (ligações diagonais ou cruzadas). Essas ligações extras dificultaram a descompactação do DNA antes da replicação e, quando a replicação ocorreu, erros foram cometidos ao copiar o código. Esses erros se multiplicaram com o tempo, causando muitas falhas de DNA que foram copiadas e causaram mutações genéticas. Essas mutações levaram à produção de células defeituosas ou câncer. No caso do gás mostarda, era o câncer de pulmão.
Pol nu (POLν) é produzido especificamente para tentar solucionar essas ligações cruzadas entre fios altamente prejudiciais. Não é feito em grandes quantidades e parece ser mais uma enzima reserva, mas pode haver mais do que isso. Embora descoberta apenas em 2003, as polimerases de DNA menos conhecidas, como Pol nu, estão recebendo muita atenção. Uma das razões é que cerca de 50% das células do câncer de mama apresentam áreas excluídas na localização citogênica (posição) 4p16.2 – que é o cromossomo 4, braço curto (p), região 16, banda 2). Na imagem abaixo, é a posição mais à esquerda. Também é importante notar que é exatamente onde o gene para a síntese de Pol nu está localizado.
Função da família B da polimerase
As enzimas da família da DNA polimerase B são importantes durante o processo de divisão celular. Eles verificam o DNA recém-replicado e sintetizado. A família inclui polimerases procariotas e eucariotas.
Pol alfa (uma letra grega, portanto uma polimerase eucarionte) inicia o processo de replicação do DNA e comunica áreas de dano a outras DNA polimerases da família B, como Pol delta e Pol epsilon. Como essas falhas são corrigidas imediatamente, elas têm muito mais probabilidade de serem bem-sucedidas e o risco de reparo de incompatibilidade (combinar o nucleotídeo errado a uma fita danificada de DNA) é baixo.
Um exemplo de reparo de incompatibilidade é o substituição de um par de guanina e timina previamente ligado para produzir um par de guanina e citosina no DNA, onde a timina é erroneamente substituída por citosina. As DNA polimerases bacterianas e eucariotas são fundamentais para o reconhecimento de danos e os mecanismos de reparação de danos.
Função da família C da polimerase
Embora as funções da DNA polimerase C sejam encontradas apenas em bactérias, nunca devemos esquecer que as bactérias superam as células humanas em dez para uma no corpo médio. A maioria deles é essencial para nossa saúde, auxiliando o sistema digestivo e produzindo produtos químicos que melhoram o funcionamento do sistema e dos órgãos. Com menos frequência, as bactérias patogênicas colonizam para produzir sintomas de doenças e enfermidades. A família C – freqüentemente chamada de PolC – é o grupo mais importante da polimerase de replicação de DNA bacteriano. A família C não é uma polimerase de reparo.
Com o aumento das bactérias resistentes aos medicamentos, novos agentes antibacterianos estão se tornando cada vez mais necessários. Novas áreas de pesquisa incluem o desenvolvimento de antibióticos que visam diretamente a PolC. Este novo medicamento potencial de amplo espectro poderia prevenir a replicação em todos os tipos de bactérias, saudáveis e patogênicas, mas ainda mais importante, esses medicamentos – que ainda estão nos estágios iniciais de desenvolvimento – evitam os mecanismos que levam à resistência bacteriana aos antibióticos.
Função da família D da polimerase
Euryarchaeota descreve um grupo de bactérias gram-positivas e gram-negativas que costumam preferir ambientes extremos (extremófilos). No entanto, essas bactérias vivem e se multiplicam em todos os tipos de ambientes, desde lodos marinhos profundos até nossos sistemas digestivos. Eles usam DNA polimerases da família D (PolD) para a replicação do DNA. As taxas de mutação neste grupo são muito altas quando comparadas com as da PolB DNA polimerases. E ao contrário de outras polimerases, a família D não tem uma estrutura semelhante a uma mão, provavelmente porque essas células são, evolutivamente falando – tipos de células muito precoces.
Função da família X da polimerase
O X família de DNA polimerase é limitada a células eucarióticas e desempenha funções tanto replicativas quanto de reparo. Alguns trabalham para reparar o DNA mitocondrial onde ambientes altamente oxidativos estimulam o dano ao DNA. Outros reparam de um a (aproximadamente) dez nucleotídeos consecutivos no DNA do núcleo da célula. O método de reparo (reparo por excisão de base) na mitocôndria e no núcleo é semelhante. O reparo por excisão de base (BER) é um processo que utiliza vários tipos de enzimas, incluindo DNA glicosilase e endonucleases. É a DNA polimerase da família X (Pol beta e Pol lambda) que forma o sítio ativo para esse reparo e insere o nucleotídeo correto. Se o gene para DNA polimerases da família X estiver danificado, os processos de BER são afetados negativamente e isso está associado a certos tipos de câncer.Algumas novas terapias direcionadas desenvolvidas para esses cânceres inibem mecanismos defeituosos de reparo de excisão de base.
Função da família Y da polimerase
A família da DNA polimerase Y é uma enzima replicativa e de reparo encontrada em células eucarióticas e procarióticas. Todas essas polimerases são muito propensas a erros em relação ao seu papel na replicação e reparo imediato ou desvio de sequências de DNA defeituosas. No entanto, ao mesmo tempo, níveis muito baixos desta família de polimerases podem aumentar a suscetibilidade a tumores malignos. É por isso que a família Y às vezes é comparada a uma espada de dois gumes.
O grupo da família Y é ativado quando outras DNA polimerases são incapazes de fazer efeito. É suposto ser um mecanismo de backup; isso pode explicar por que as mutações após esse tipo de reparo são mais comuns.
Função de transcriptase reversa
Vírus, retrovírus e células eucariotas contêm enzimas de transcriptase reversa dependentes de RNA. Essas enzimas – parte do grupo da DNA polimerase – são o que torna os vírus perigosos. Como um vírus contém apenas RNA, ele deve induzir um microorganismo ou célula a reproduzi-lo. Se nossas células apenas copiassem o RNA, elas poderiam produzir uma ou duas proteínas incomuns em um ribossomo, mas isso não ajudaria o vírus a se multiplicar. Em vez disso, o RNA viral deve de alguma forma fazer-se parte do molde do DNA para que a célula sofra mudanças permanentes. Ele faz isso usando enzimas de transcriptase reversa.
Essas enzimas produzem DNA de fita dupla a partir de um modelo de RNA de fita simples em um processo conhecido como transcrição reversa. Mutações são comuns. A imagem abaixo mostra como o vírus da imunodeficiência humana se replica em um linfócito T. A transcrição reversa inicia o crescimento do vírus, enganando a célula para produzir componentes que se reúnem para formar mais vírus a partir do DNA editado.
A maioria dos processos de transcrição reversa são o resultado de infecções virais prejudiciais, onde o RNA viral de fita simples é copiado para formar uma fita dupla de DNA que produzirá proteínas virais. Isso é feito por transcriptase reversa (reversa porque o método usual é usar DNA de fita dupla para produzir uma fita única de RNA).
Teste durante o COVID-19 (SARS-CoV-2) em 2020 – como acontece com todos os testes de infecção viral – requer extração de RNA viral. Os laboratórios usam um processo denominado reação em cadeia da polimerase transcriptase reversa (rt-PCR). O Rt-PCR não é tão complicado de entender como pode parecer. Este teste produz DNA complementar (cDNA) ou DNA que é copiado de pequenas quantidades de RNA viral. Como este procedimento produz apenas quantidades muito pequenas de cDNA, os resultados devem ser amplificados por sua replicação. Uma vez produzido em quantidades suficientes, o genoma viral pode ser detectado.