إنزيمات بلمرة الحمض النووي وتخليقه

إنزيمات بلمرة الحمض النووي (DNA polymerases) هي الإنزيمات التي تُصنّع خيوطًا جديدة من الحمض النووي عن طريق إضافة النيوكليوتيدات إلى قالب مُهيأ، وهي محورية لكل من نسخ الجينوم وإصلاحه. تحدد كيمياءها الموجهة بالقالب، وقدرتها على الاستمرارية (processivity)، وتصحيح الأخطاء المدمج فيها، مدى دقة نقل المعلومات الوراثية.

Definition

إنزيم بلمرة الحمض النووي الموجه بالحمض النووي (DNA-directed DNA polymerase) هو إنزيم يحفز إضافة الديوكسي ريبونوكليوتيدات الموجهة بالقالب إلى النهاية 3' لخيط نامٍ، ناسخًا قالب الحمض النووي في الاتجاه من 5' إلى 3'.

Scope

يغطي هذا المدخل الآلية التحفيزية لإضافة النيوكليوتيدات الموجهة بالقالب، والقطبية من 5' إلى 3' ومتطلبات البادئ (primer)، والتدقيق اللغوي (proofreading) بواسطة نشاط الإكسونوكلياز من 3' إلى 5'، وعوامل الاستمرارية (processivity factors)، ووجود عائلات مميزة من إنزيمات البلمرة المتخصصة في التضاعف والإصلاح وتخليق ما بعد الآفة (translesion synthesis). إنه موضوع مرجعي ميكانيكي.

Key concepts

• إضافة النيوكليوتيدات الموجهة بالقالب
• الحاجة إلى بادئ وقالب
• قطبية التخليق من 5' إلى 3'
• التدقيق اللغوي (إكسونوكلياز من 3' إلى 5')
• دقة التضاعف
• الاستمرارية والمشابك المنزلقة
• عائلات إنزيمات البلمرة (التضاعفية، الإصلاحية، ما بعد الآفة)

Mechanisms

تضيف إنزيمات بلمرة الحمض النووي ثلاثي فوسفات الديوكسي ريبونوكليوزيد واحدًا تلو الآخر إلى مجموعة الهيدروكسيل الحرة في النهاية 3' لخيط البادئ، مختارةً كل نيوكليوتيد وارد عن طريق التكاملية بين قواعد واتسون-كريك والقالب، مما يمنح التخليق اتجاهه المحدد من 5' إلى 3' واعتماده على كل من القالب والبادئ. تحمل العديد من إنزيمات البلمرة التضاعفية نشاط إكسونوكلياز منفصل من 3' إلى 5' (تدقيق لغوي) يستأصل النيوكليوتيدات المدمجة بشكل خاطئ، مما يقلل بشكل كبير من معدل الخطأ؛ ويتم تصحيح عدم التطابق المتبقي عن طريق إصلاح عدم التطابق (mismatch repair)، وتحدد هذه الآليات معًا دقة التضاعف الكلية. تحافظ عوامل الاستمرارية مثل المشابك المنزلقة (sliding clamps) على ارتباط إنزيم البلمرة بحيث يمكنه نسخ امتدادات طويلة دون انفصال. تحتوي الخلايا على عائلات متعددة من إنزيمات البلمرة ذات أدوار مميزة: إنزيمات عالية الدقة لتضاعف الجينوم، وإنزيمات بلمرة متخصصة لملء الفجوات والإصلاح، وإنزيمات بلمرة ما بعد الآفة (translesion polymerases) ذات دقة أقل والتي يمكنها النسخ متجاوزةً قواعد القالب التالفة.

Clinical relevance

تعتبر دقة إنزيم البلمرة ومسارات الإصلاح التي تدعمها محورية في كيفية الحفاظ على سلامة الجينوم، وترتبط العيوب في هذه الأنشطة بعدم استقرار الجينوم. هذا المدخل هو بيولوجيا مرجعية وليس أساسًا لاتخاذ قرارات سريرية فردية.

History

أثبت عزل آرثر كورنبرغ لإنزيم تخليق الحمض النووي في أواخر الخمسينيات أن تضاعف الحمض النووي محفز إنزيميًا وحدد المتطلبات التحفيزية الأساسية. ميزت الأعمال اللاحقة إنزيمات بلمرة حقيقية النواة متعددة، ووصفت التدقيق اللغوي وإصلاح عدم التطابق كمحددات للدقة، ووصفت إنزيمات بلمرة ما بعد الآفة المتخصصة، مما يعطي الصورة الحديثة لعائلة من الإنزيمات ذات تقسيم للعمل.

Key figures

• Arthur Kornberg
• Thomas Kunkel
• Ulrich Hübscher
• Wei Yang

Seminal works

• kornberg-1969
• hubscher-2002
• kunkel-erie-2005

Frequently asked questions

لماذا يحتاج إنزيم بلمرة الحمض النووي إلى بادئ؟

يمكن لإنزيمات بلمرة الحمض النووي فقط تمديد خيط موجود عن طريق إضافة النيوكليوتيدات إلى مجموعة هيدروكسيل حرة في النهاية 3'؛ لا يمكنها بدء خيط جديد من الصفر، لذا يوفر بادئ قصير (عادةً RNA، يصنعه إنزيم البرايميز) النهاية 3' البادئة.

كيف تحافظ إنزيمات البلمرة على دقة التضاعف؟

تختار النيوكليوتيدات عن طريق الاقتران القاعدي بالقالب، ويمكن للعديد منها التدقيق اللغوي، باستخدام إكسونوكلياز من 3' إلى 5' لإزالة النيوكليوتيد الخاطئ قبل المتابعة؛ ثم يقوم إصلاح عدم التطابق بتصحيح الأخطاء التي تفلت من التدقيق اللغوي.