Definiție
ADN polimeraza este un grup enzimatic important implicat în sinteza, repararea și replicarea ADN; aceste enzime se găsesc în toate organismele vii. Descoperit inițial în timpul cercetării bacteriilor Escherichia coli, acum cunoaștem mai multe soiuri cu structuri similare, dar funcții diferite. Aceste soiuri sunt grupate în familii în funcție de funcție și sunt utilizate și în domeniul ingineriei genetice.
Funcția ADN polimerază
ADN polimeraza are roluri variate în mecanismele sintezei ADN, reparare și replicare. ADN polimeraza este clasificată în șapte familii diferite în eucariote, viruși, drojdii și bacterii. Aceste șapte familii sunt A, B, C, D, X, Y și transcriptaza inversă (RT). Cercetările viitoare pot descoperi alte grupuri.
Fiecare dintre aceste familii conține un subset de ADN polimeraze care au propria lor gamă de funcții. De exemplu, ADN polimeraza I este un membru al familiei A; ADN polimeraza IV sau DinB este un membru al familiei X. Nu va trebui să memorați fiecare nume, dar funcția de bază pe grup vă va ajuta, de asemenea, să înțelegeți mai bine sinteza proteinelor, mutația genei și modificarea genei.
Structura ADN polimerazei este asemănată cu mâna dreaptă cu palma, degetele și degetul mare. Vă puteți imagina un fir de ADN care se mișcă printr-o moleculă de ADN polimerază precum panglica printr-o mașină de scris. Foarte simplu, degetele ajută la poziționarea cu grijă a firului de ADN dezarhivat prin recunoașterea nucleotidelor, palma este locul activ în care are loc fosforilarea (adăugând coloana vertebrală a fosfatului), iar degetul mare leagă ADN-ul într-o formă cu dublă helică când iese molecula de ADN polimerază. Dar nu toate familiile ADN polimerazei au aceleași componente structurale. Să ne uităm la diferitele familii în detaliu.
Familia polimerazei A
Familia A este un grup de enzime de replicare a ADN-ului sau de reparare a ADN-ului. În replicarea ADN-ului, ele potrivesc o bază de nucleotide cu partenerul potrivit. Acest lucru este necesar ori de câte ori o celulă se pregătește să se împartă, iar cromozomul monocatenar este duplicat, astfel încât ambele celule, mamă și fiică, să aibă un set complet de ADN.
Dacă trebuie făcută o copie a ADN-ului, moleculele de ADN polimerază trec peste catena șablonului decomprimat și o copiază cu nucleotide opuse. Aceasta produce o copie exactă a catenei de codare a ADN-ului. Diferite enzime din familia A ajută la repararea ADN-ului – verifică firele proaspăt produse pentru a găsi baze defecte și le înlocuiesc dacă se găsesc defecte.
Exemple de ADN polimeraze din familia A sunt Pol I, Pol γ (gamma) și Pol θ (theta). Adesea denumită familia Pol I (Pol este prescurtarea polimerazei), fiecare subtip are o acțiune specifică.
Puteți spune întotdeauna dacă o ADN polimerază se găsește în celulele procariote sau eucariote uitându-vă la numele lor. Când unei polimeraze i se alocă cifre romane (Pol III, Pol I și așa mai departe), acea enzimă se găsește în organismele procariote (unicelulare). În eucariote, subtipurile sunt denumite după alfabetul grecesc (Pol delta, Pol theta și așa mai departe). Familiile pot conține ADN polimeraze pentru organisme unicelulare și / sau multi-celulare.
Pol γ este singura ADN polimerază care poate replica ADN mitocondrial (și numai ADN polimerazele de familie X efectuează repararea ADN mt).
Pol theta (ADN polimerază theta) repară pauzele dublu-catenă în ADN prin reunirea capetelor rupte. Deteriorarea genei care codifică producția de pol theta (θ) înseamnă că pauzele încep să se acumuleze fără a fi reparate; cu toate acestea, îmbinarea finală mediată de teta (TMEJ) crește riscul de mutație în comparație cu alte mecanisme de reparare a ADN-ului. Din această cauză, genele Pol θ defecte au fost legate de multe forme de cancer.
Din cauza unor astfel de studii asupra bolii și ADN-ului, ADN polimerazele de familie A ne-au ajutat să înțelegem și să tratăm diferite forme de cancer. Un alt exemplu de familie A este Pol nu, care ajută la decuplarea legăturilor interstrand (ICL). Ce este o legătură transversală interstrand? Ai auzit vreodată de gaz muștar, folosit în cel de-al doilea război mondial? Respirarea acestui gaz în cantități mari ar putea ucide, dar mii de soldați au supraviețuit expunerii. Odată cu trecerea timpului, medicii au descoperit că acești bărbați curajoși erau mai predispuși să moară din cauza cancerului sistemului respirator decât oamenii care nu fuseseră expuși niciodată gazului muștar.Gazul a intrat în plămâni și a reacționat direct cu ADN-ul celulelor pulmonare, legând împreună o catenă de nucleotide la nucleotide opuse care nu erau partenerii lor (legături diagonale sau încrucișate). Aceste legături suplimentare au făcut ca descompunerea ADN-ului înainte de replicare să fie dificilă și, când a avut loc replicarea, s-au făcut greșeli la copierea codului. Aceste greșeli s-au înmulțit în timp, provocând multe defecte ADN care au fost copiate și au provocat mutații genetice. Aceste mutații au dus la producerea de celule defecte sau cancer. În cazul gazului muștar, acesta a fost cancer pulmonar.
Pol nu (POLν) este produs în mod special pentru a încerca să rezolve aceste legături încrucișate extrem de dăunătoare. Nu este fabricat în cantități mari și pare a fi mai mult o enzimă de rezervă, dar poate fi mai mult decât atât. Deși doar descoperite în 2003, ADN-polimerazele mai puțin cunoscute precum Pol nu primesc multă atenție. Unul dintre motive este că aproximativ 50% din celulele canceroase ale sânului prezintă zone șterse la locația citogenică (poziția) 4p16.2 – adică cromozomul 4, brațul scurt (p), regiunea 16, banda 2). În imaginea de mai jos, este poziția cea mai îndepărtată spre stânga. De asemenea, este important de reținut că este exact locul în care se află gena pentru sinteza Pol nu.
Funcția familiei polimerazei B
Enzimele familiei ADN polimerazei B sunt importante în timpul procesului de diviziune celulară. Ei verifică ADN-ul recent reprodus și sintetizat. Familia include atât procariote, cât și eucariote polimeraze.
Pol alfa (o literă greacă, deci o eucariotă polimerază) pornește procesul de replicare a ADN-ului și comunică zonele de deteriorare ale altor ADN polimeraze din familia B, cum ar fi Pol delta și Pol epsilon. Deoarece aceste defecte sunt remediate imediat, este mult mai probabil să aibă succes, iar riscul de reparare a nepotrivirii (potrivirea nucleotidului greșit cu un fir deteriorat de ADN) este redus.
Un exemplu de reparare a nepotrivirii este înlocuirea unei perechi de guanină și timină legate anterior pentru a produce o pereche de guanină și citozină în ADN, unde timina este substituită greșit cu citozină. ADN polimerazele bacteriene și eucariote sunt esențiale atât pentru mecanismele de recunoaștere a daunelor, cât și pentru mecanismele de reparare a daunelor.
Funcția familiei polimerazei C
În timp ce funcțiile ADN polimerazei C se găsesc numai în bacterii, nu ar trebui să uităm niciodată că bacteriile depășesc celulele umane cu zece la unu în corpul mediu și în interiorul acestuia. Majoritatea acestora sunt esențiale pentru sănătatea noastră, ajutând sistemul digestiv și producând substanțe chimice care îmbunătățesc funcția sistemului și a organelor. Mai rar, bacteriile patogene colonizează pentru a produce simptome de boală și boală. Familia C – denumită adesea PolC – este cea mai importantă grupă de polimerază de replicare a ADN-ului bacterian. Familia C nu este o polimerază reparatoare.
Odată cu creșterea bacteriilor rezistente la medicamente, noii agenți antibacterieni devin din ce în ce mai necesari. Noile domenii de cercetare includ dezvoltarea de antibiotice care vizează direct PolC. Acest potențial medicament cu spectru larg ar putea preveni replicarea la toate tipurile de bacterii, sănătoase și patogene, dar și mai important, aceste medicamente – care sunt încă în primele etape de dezvoltare – evită mecanismele care duc la rezistența la antibiotice bacteriene.
Funcția familiei polimerazei D
Euryarchaeota descrie un grup de bacterii gram-pozitive și gram-negative despre care se spune adesea că preferă medii extreme (extremofile). Cu toate acestea, aceste bacterii trăiesc și se înmulțesc în tot felul de medii, de la îngrășăminte marine adânci până la sistemele noastre digestive. Aceștia folosesc ADN polimeraze din familia D (PolD) pentru replicarea ADN-ului. Ratele de mutație în acest grup sunt foarte mari în comparație cu cele ale ADN polimerazelor PolB. Și spre deosebire de alte polimeraze, familia D nu are o structură asemănătoare mâinii, probabil pentru că aceste celule sunt, evolutiv vorbind – tipuri de celule foarte timpurii.
Funcția familiei X a polimerazelor
X familia ADN polimerazei este limitată la celulele eucariote și joacă atât roluri de reproducere, cât și roluri de reparare. Unii lucrează pentru repararea ADN-ului mitocondrial, unde mediile oxidative ridicate încurajează deteriorarea ADN-ului. Alții repară una până la (aproximativ) zece nucleotide consecutive în ADN-ul nucleului celular. Metoda de reparare (repararea exciziei de bază) în mitocondrie și nucleu este similară. Repararea exciziei de bază (BER) este un proces care utilizează diferite tipuri de enzime, inclusiv ADN glicozilaza și endonucleaze. ADN polimeraza familiei X (Pol beta și Pol lambda) formează locul activ pentru această reparație și inserează nucleotida corectă. Dacă gena ADN-polimerazelor din familia X este deteriorată, procesele BER sunt afectate negativ și acest lucru este asociat cu anumite tipuri de cancer.Unele noi terapii țintite dezvoltate pentru aceste tipuri de cancer inhibă mecanisme defectuoase de reparare a exciziei de bază.
Familia polimerază Funcția Y
Familia ADN polimerază Y este o enzimă de replicare și reparare găsită în celulele eucariote și procariote. Toate aceste polimeraze sunt foarte predispuse la erori în ceea ce privește rolul lor în replicarea și repararea imediată sau ocolirea secvențelor de ADN defecte. Totuși, în același timp, niveluri prea scăzute ale acestei familii de polimeraze pot crește susceptibilitatea la tumorile maligne. Acesta este motivul pentru care familia Y este uneori asemănată cu o sabie cu două tăișe.
Grupul familiei Y se activează atunci când alte ADN polimeraze nu sunt capabile să producă un efect. Se presupune că este un mecanism de rezervă; acest lucru poate explica de ce mutațiile care urmează acestui tip de reparații sunt mai frecvente.
Funcția de transcriptază inversă
Virușii, retrovirusurile și celulele eucariote conțin enzime de transcriptază inversă dependente de ARN. Aceste enzime – parte a grupului ADN polimerază – sunt cele care fac virușii periculoși. Deoarece un virus conține doar ARN, trebuie să păcălească un microorganism sau o celulă pentru ao reproduce. Dacă celulele noastre ar copia doar ARN-ul, acestea ar putea produce una sau două proteine neobișnuite într-un ribozom, dar acestea nu ar ajuta virusul să se înmulțească. În schimb, ARN-ul viral trebuie să se facă cumva parte din șablonul ADN, astfel încât celula să sufere modificări permanente. Face acest lucru folosind enzime de transcriptază inversă.
Aceste enzime produc ADN bicatenar dintr-un șablon de ARN monocatenar într-un proces cunoscut sub numele de transcripție inversă. Mutațiile sunt frecvente. Imaginea de mai jos arată cum se reproduce virusul imunodeficienței umane într-un limfocit T. Transcrierea inversă inițiază creșterea virusului prin păcălirea celulei în producerea componentelor care se asamblează pentru a forma mai mulți viruși din ADN modificat.
Majoritatea proceselor de transcripție inversă sunt rezultatul infecțiilor virale dăunătoare, unde ARN-ul viral monocatenar este copiat pentru a forma o catenă dublă de ADN care va continua să producă proteine virale. Acest lucru se face prin transcriptază inversă (invers deoarece metoda obișnuită este de a utiliza ADN dublu catenar pentru a produce o singură catenă de ARN).
Testarea în timpul COVID-19 (SARS-CoV-2) în 2020 – ca și în cazul tuturor testelor de infecție virală – necesită extracția ARN-ului viral. Laboratoarele folosesc un proces numit reacția în lanț a transcriptazei inverse-polimerază (rt-PCR). Rt-PCR nu este atât de complicat de înțeles pe cât s-ar părea. Acest test produce ADN complementar (ADNc) sau ADN care este copiat din cantități mici de ARN viral. Deoarece această procedură produce doar cantități foarte mici de ADNc, rezultatele trebuie amplificate prin reproducerea acestuia. Odată produs în cantități suficiente, genomul viral poate fi detectat.