DNA پلیمرازها و سنتز DNA

DNA پلیمرازها آنزیم‌هایی هستند که با افزودن نوکلئوتیدها به یک الگوی آغازگر، رشته‌های جدید DNA را سنتز می‌کنند و هم در کپی‌برداری از ژنوم و هم در ترمیم آن نقش محوری دارند. شیمی وابسته به الگو، فرایندگرایی و تصحیح خطای داخلی آن‌ها، با هم تعیین می‌کنند که اطلاعات ژنتیکی با چه دقتی منتقل می‌شود.

Definition

DNA پلیمراز وابسته به DNA آنزیمی است که افزودن نوکلئوتیدهای دئوکسی‌ریبونوکلئوتید را به انتهای '۳ یک رشته در حال رشد، با کپی‌برداری از یک الگوی DNA در جهت '۵ به '۳، کاتالیز می‌کند.

Scope

این مدخل به مکانیسم کاتالیزوری افزودن نوکلئوتید وابسته به الگو، قطبیت '۵ به '۳ و نیاز به آغازگر، ویرایش با فعالیت اگزونوکلئازی '۳ به '۵، عوامل فرایندگرایی، و وجود خانواده‌های متمایز پلیمرازها که برای همانندسازی، ترمیم و سنتز ترانس‌لزیون تخصص یافته‌اند، می‌پردازد. این یک موضوع مرجع مکانیکی است.

Key concepts

• افزودن نوکلئوتید وابسته به الگو
• نیاز به آغازگر و الگو
• قطبیت سنتز '۵ به '۳
• ویرایش (اگزونوکلئاز '۳ به '۵)
• وفاداری همانندسازی
• فرایندگرایی و گیره‌های لغزنده
• خانواده‌های پلیمراز (همانندسازی، ترمیم، ترانس‌لزیون)

Mechanisms

DNA پلیمرازها دئوکسی‌ریبونوکلئوزید تری‌فسفات‌ها را یکی یکی به گروه '۳-هیدروکسیل آزاد یک رشته آغازگر اضافه می‌کنند و هر نوکلئوتید ورودی را با مکمل بودن واتسون-کریک به الگو انتخاب می‌کنند، که به سنتز جهت '۵ به '۳ مشخص و وابستگی آن به هر دو الگو و آغازگر را می‌دهد. بسیاری از پلیمرازهای همانندسازی دارای یک فعالیت اگزونوکلئازی '۳ به '۵ (ویرایش) جداگانه هستند که نوکلئوتیدهای اشتباه وارد شده را حذف می‌کند و نرخ خطا را به شدت کاهش می‌دهد؛ عدم تطابق‌های باقی‌مانده توسط ترمیم عدم تطابق اصلاح می‌شوند و این مکانیسم‌ها با هم وفاداری کلی همانندسازی را تعیین می‌کنند. عوامل فرایندگرایی مانند گیره‌های لغزنده پلیمراز را متصل نگه می‌دارند تا بتواند بخش‌های طولانی را بدون جدا شدن کپی کند. سلول‌ها حاوی چندین خانواده پلیمراز با نقش‌های متمایز هستند: آنزیم‌های با دقت بالا برای همانندسازی ژنوم، پلیمرازهای تخصصی برای پر کردن شکاف‌ها و ترمیم، و پلیمرازهای ترانس‌لزیون با دقت پایین‌تر که می‌توانند از روی بازهای الگوی آسیب‌دیده کپی کنند.

Clinical relevance

وفاداری پلیمراز و مسیرهای ترمیمی که از آن حمایت می‌کنند، در حفظ یکپارچگی ژنوم نقش محوری دارند و نقص در این فعالیت‌ها با ناپایداری ژنوم مرتبط است. این مدخل زیست‌شناسی مرجع است و مبنایی برای تصمیم‌گیری‌های بالینی فردی نیست.

History

جداسازی آنزیم سنتزکننده DNA توسط آرتور کورنبرگ در اواخر دهه ۱۹۵۰ ثابت کرد که همانندسازی DNA آنزیمی کاتالیز می‌شود و الزامات کاتالیزوری اساسی را تعریف کرد. کارهای بعدی پلیمرازهای یوکاریوتی متعدد را متمایز کرد، ویرایش و ترمیم عدم تطابق را به عنوان عوامل تعیین‌کننده وفاداری مشخص کرد و پلیمرازهای ترانس‌لزیون تخصصی را توصیف کرد، که تصویر مدرن از خانواده‌ای از آنزیم‌ها با تقسیم کار را ارائه می‌دهد.

Key figures

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

Seminal works

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

Frequently asked questions

چرا DNA پلیمراز به آغازگر نیاز دارد؟

DNA پلیمرازها فقط می‌توانند یک رشته موجود را با افزودن نوکلئوتیدها به یک گروه '۳-هیدروکسیل آزاد گسترش دهند؛ آن‌ها نمی‌توانند یک رشته جدید را از ابتدا شروع کنند، بنابراین یک آغازگر کوتاه (معمولاً RNA، ساخته شده توسط پریمیاز) انتهای '۳ شروع را فراهم می‌کند.

پلیمرازها چگونه دقت همانندسازی را حفظ می‌کنند؟

آن‌ها نوکلئوتیدها را با جفت شدن بازها به الگو انتخاب می‌کنند و بسیاری از آن‌ها می‌توانند ویرایش کنند، با استفاده از یک اگزونوکلئاز '۳ به '۵ برای حذف یک نوکلئوتید اشتباه قبل از ادامه؛ سپس ترمیم عدم تطابق خطاهایی را که از ویرایش فرار می‌کنند، اصلاح می‌کند.