Definition
DNA-polymeras är en viktig enzymgrupp som är involverad i DNA-syntes, reparation och replikering; dessa enzymer finns i alla levande organismer. Ursprungligen upptäcktes under forskning om Escherichia coli-bakterier, vi känner nu till flera sorter med liknande strukturer men olika funktioner. Dessa sorter grupperas i familjer efter funktion och används också inom genteknik.
DNA-polymerasfunktion
DNA-polymeras har olika roller i mekanismerna för DNA-syntes, reparation och replikering. DNA-polymeras kategoriseras i sju olika familjer i eukaryoter, virus, jäst och bakterier. Dessa sju familjer är A, B, C, D, X, Y och omvänt transkriptas (RT). Framtida forskning kan upptäcka ytterligare grupper.
Var och en av dessa familjer innehåller en delmängd av DNA-polymeraser som har sina egna funktioner. Exempelvis är DNA-polymeras I medlem av A-familjen; DNA-polymeras IV eller DinB är en medlem av X-familjen. Du behöver inte memorera alla namn, men den grundläggande funktionen per grupp hjälper dig också att bättre förstå proteinsyntes, genmutation och genmodifiering.
DNA-polymerasstrukturen jämförs med en höger hand med en handflata, fingrar och tumme. Du kan föreställa dig en DNA-sträng som rör sig genom en DNA-polymerasmolekyl som bandet genom en skrivmaskin. Mycket enkelt uttryckt, fingrarna hjälper till att försiktigt placera den ej zippade DNA-strängen genom att känna igen nukleotiderna, handflatan är det aktiva stället där fosforylering sker (tillsätter fosfat-ryggraden), och tummen binder DNA till en dubbel-helixform när den går ut DNA-polymerasmolekylen. Men inte alla DNA-polymerasfamiljer har samma strukturella komponenter. Låt oss titta på de olika familjerna lite mer detaljerat.
Polymerasfamilj A
Familj A är en grupp av DNA-replikations- eller DNA-reparationsenzymer. I DNA-replikering matchar de en nukleotidbas till rätt partner. Detta är nödvändigt när en cell förbereder sig för att dela sig och den enkelsträngade kromosomen dupliceras så att båda cellerna, mor och dotter, har en fullständig uppsättning DNA.
Om en kopia av DNA ska göras, körs DNA-polymerasmolekyler över den ej packade mallsträngen och kopierar den med motsatta nukleotider. Detta ger en exakt kopia av den kodande DNA-strängen. Olika familjen A-enzymer hjälper till med DNA-reparation – de kontrollerar nyproducerade strängar för felaktiga baser och ersätter dem om fel upptäcks.
Exempel på familj A-DNA-polymeraser är Pol I, Pol γ (gamma) och Pol θ (theta). Ofta kallad Pol I-familjen (Pol är en förkortning för polymeras), varje undertyp har en specifik verkan.
Du kan alltid se om ett DNA-polymeras finns i prokaryota eller eukaryota celler genom att titta på deras namn. När ett polymeras tilldelas romerska siffror (Pol III, Pol I och så vidare) finns det enzymet i prokaryota (encelliga) organismer. I eukaryoter namnges undertyper enligt det grekiska alfabetet (Pol delta, Pol theta och så vidare). Familjer kan innehålla DNA-polymeraser för enstaka och / eller flercelliga organismer.
Pol γ är det enda DNA-polymeraset som kan replikera mitokondriellt DNA (och endast familj X-DNA-polymeraser utför mtDNA-reparation).
Pol theta (DNA-polymeras theta) reparerar dubbelsträngsbrott i DNA genom att återansluta de brutna ändarna. Skador på genen som kodar för produktion av Pol theta (θ) innebär att pauser börjar staplas utan att repareras; emellertid ökar theta-medierad ändförening (TMEJ) risken för mutation jämfört med vissa andra DNA-reparationsmekanismer. På grund av detta har felaktiga Polθ-gener kopplats till många former av cancer.
På grund av sådana studier av sjukdomar och DNA har familj A-DNA-polymeraser hjälpt oss att förstå och behandla olika former av cancer. Ett annat A-familjeexempel är Pol nu som hjälper till att ta bort interstrand tvärbindningar (ICL). Vad är en tvärlänk mellan strängar? Har du någonsin hört talas om senapsgas som användes under andra världskriget? Att andas in denna gas i stora mängder kan döda, men tusentals soldater överlevde exponering. Med tiden tyckte läkare att dessa modiga män var mer benägna att dö av cancer i andningsorganen än människor som aldrig hade utsatts för senapsgas.Gasen kom in i lungorna och reagerade direkt med lungcellernas DNA och knöt ihop en nukleotidsträng till motsatta nukleotider som inte var deras partners (diagonala eller tvärbindningar). Dessa extra bindningar gjorde det svårt att packa upp DNA före replikering och när replikering inträffade gjordes fel när man kopierade koden. Dessa misstag multiplicerades med tiden och orsakade många DNA-fel som kopierades och orsakade genmutationer. Dessa mutationer ledde till produktion av felaktiga celler eller cancer. När det gäller senapsgas var detta lungcancer.
Pol nu (POLν) är specifikt producerad för att försöka lösa dessa mycket skadliga tvärbindningar mellan strängar. Det tillverkas inte i stora mängder och verkar vara mer ett backup-enzym, men det kan vara mer än det. Även om det bara upptäcktes 2003 får mindre kända DNA-polymeraser som Pol nu mycket uppmärksamhet. En av anledningarna är att cirka 50% av bröstcancercellerna visar borttagna områden på cytogen plats (position) 4p16.2 – det är kromosom 4, kort arm (p), region 16, band 2). I bilden nedan är den positionen längst till vänster. Det är också viktigt att notera att det är just här genen för Pol nu-syntesen finns.
Polymerasfamilj B-funktion
DNA-polymeras B-familjenzymer är viktiga under celldelningsprocessen. De kontrollerar nyligen replikerat och syntetiserat DNA. Familjen inkluderar både prokaryot- och eukaryotpolymeraser.
Pol alpha (en grekisk bokstav, så en eukaryotpolymeras) startar DNA-replikationsprocessen och kommunicerar områden med skador på andra B-familjen DNA-polymeraser, såsom Pol delta och Pol epsilon. Eftersom dessa fel omedelbart åtgärdas är det mycket mer sannolikt att de lyckas och risken för felaktig reparation (att matcha fel nukleotid till en skadad DNA-sträng) är låg.
Ett exempel på felaktig reparation är ersättning av ett tidigare bundet guanin- och tyminpar för att producera ett guanin- och cytosinpar i DNA, där tymin felaktigt ersätts med cytosin. Bakteriella och eukaryota DNA-polymeraser är centrala för både skadaigenkännings- och skadereparationsmekanismer.
Polymerasfamilj C-funktion
Även om DNA-polymeras C-funktioner bara finns i bakterier, bör vi aldrig glömma att bakterier överstiger mänskliga celler med tio till en på och inom den genomsnittliga kroppen. Majoriteten av dessa är väsentliga för vår hälsa, hjälper matsmältningssystemet och producerar kemikalier som förbättrar system- och organfunktionen. Mindre ofta koloniserar patogena bakterier för att ge symtom på sjukdom och sjukdom. Familj C – ofta kallad PolC – är den viktigaste bakteriella DNA-replikationspolymerasgruppen. Familj C är inte ett reparationspolymeras.
När läkemedelsresistenta bakterier ökar blir nya antibakteriella medel mer och mer nödvändiga. Nya forskningsområden inkluderar utveckling av antibiotika som riktar sig direkt till PolC. Detta potentiella nya bredspektrumläkemedel kan förhindra replikering i alla typer av bakterier, friska och patogena, men ännu viktigare, dessa läkemedel – som fortfarande befinner sig i de tidigaste utvecklingsstadierna – undviker de mekanismer som leder till bakteriell antibiotikaresistens.
Polymerasfamilj D-funktion
Euryarchaeota beskriver en grupp grampositiva och gramnegativa bakterier som ofta sägs föredra extrema miljöer (extremofiler). Dessa bakterier lever och förökar sig dock i alla typer av miljöer, från djupa marina silter till våra matsmältningssystem. De använder D-familjens DNA-polymeraser (PolD) för DNA-replikering. Mutationshastigheter i denna grupp är mycket höga jämfört med de för PolB DNA-polymeraser. Och till skillnad från andra polymeraser har inte familj D en handliknande struktur, förmodligen för att dessa celler evolutionsmässigt är mycket tidiga celltyper.
Polymerasfamilj X-funktion
X familjen av DNA-polymeras är begränsad till eukaryota celler och spelar både replikerande och reparationsroller. En del arbetar för att reparera mitokondriellt DNA där miljöer med hög oxidation uppmuntrar DNA-skador. Andra reparerar en till (ungefär) tio på varandra följande nukleotider i cellkärnans DNA. Metoden för reparation (reparation av bas excision) i mitokondrion och kärna är likartad. Base excision repair (BER) är en process som använder olika typer av enzymer, inklusive DNA-glykosylas och endonukleaser. Det är X-familj DNA-polymeras (Pol beta och Pol lambda) som bildar det aktiva stället för denna reparation och infogar rätt nukleotid. Om genen för DNA-polymeraser i X-familjen skadas påverkas BER-processer negativt och detta är associerat med vissa typer av cancer.Några nya riktade terapier som utvecklats för dessa cancerformer hämmar felaktiga reparationsmekanismer för bas.
Polymerasfamilj Y-funktion
DNA-polymeras Y-familjen är ett replikations- och reparationsenzym som finns i eukaryota och prokaryota celler. Alla dessa polymeraser är mycket felbenägna med avseende på deras roll i replikering och omedelbar reparation eller förbikoppling av felaktiga DNA-sekvenser. Men samtidigt kan alltför låga nivåer av denna familj av polymeraser öka sin känslighet för maligna tumörer. Det är därför Y-familjen ibland liknas med ett tveeggat svärd.
Y-familjegruppen aktiveras när andra DNA-polymeraser inte kan påverka. Det ska vara en reservmekanism; detta kan förklara varför mutationer efter denna typ av reparation är vanligare.
Omvänd transkriptasfunktion
Virus, retrovirus och eukaryotceller innehåller RNA-beroende omvänd transkriptasenzymer. Dessa enzymer – en del av DNA-polymerasgruppen – är det som gör virus farliga. Eftersom ett virus bara innehåller RNA måste det lura en mikroorganism eller cell att reproducera det. Om våra celler bara kopierade RNA kan de producera ett eller två ovanliga proteiner i en ribosom men dessa skulle inte hjälpa viruset att föröka sig. Istället måste viralt RNA på något sätt göra sig en del av DNA-mallen så att cellen genomgår permanenta förändringar. Det gör detta genom att använda omvända transkriptasenzymer.
Dessa enzymer producerar dubbelsträngat DNA från en enkelsträngad RNA-mall i en process som kallas omvänd transkription. Mutationer är vanliga. Bilden nedan visar hur det humana immunbristviruset replikerar i en T-lymfocyt. Omvänd transkription initierar virusets tillväxt genom att lura cellen att producera komponenter som samlas för att bilda fler virus från redigerat DNA.
De flesta omvända transkriptionsprocesser är resultatet av skadliga virusinfektioner, där det enkelsträngade virala RNA kopieras för att bilda en dubbel DNA-sträng som fortsätter att göra virala proteiner. Detta görs genom omvänd transkriptas (omvänd eftersom den vanliga metoden är att använda dubbelsträngat DNA för att producera en enda sträng av RNA).
Testning under COVID-19 (SARS-CoV-2) 2020 – som med alla test av virusinfektioner – kräver viral RNA-extraktion. Laboratorier använder en process som kallas omvänd transkriptas-polymeraskedjereaktion (rt-PCR). Rt-PCR är inte så komplicerat att förstå som det kanske låter. Detta test producerar komplementärt DNA (cDNA) eller DNA som kopieras från små mängder viralt RNA. Eftersom denna procedur bara producerar mycket små mängder cDNA måste resultaten förstärkas genom att replikera den. När det väl har producerats i tillräckliga mängder kan virusgenomet detekteras.