DNA پلیمرازها و دقت همانندسازی

آنزیم‌هایی که DNA جدید را می‌سازند و مکانیسم‌های لایه‌ای — انتخاب باز، ویرایش و تصحیح عدم تطابق — که خطاهای کپی‌برداری را به طرز فوق‌العاده‌ای نادر نگه می‌دارند.

Definition

DNA پلیمرازها آنزیم‌هایی هستند که افزودن دئوکسی‌ریبونوکلئوتیدها را به یک رشته در حال رشد کاتالیز می‌کنند؛ دقت همانندسازی به دقت ترکیبی انتخاب نوکلئوتید، ویرایش و ترمیم عدم تطابق اشاره دارد که تعیین می‌کند هر چند وقت یک بار باز اشتباه به طور دائمی وارد می‌شود.

Scope

این موضوع به بررسی خواص کاتالیتیکی DNA پلیمرازها و محافظت‌های چندگانه‌ای می‌پردازد که دقت بالای همانندسازی را ایجاد می‌کنند. این شامل هندسه انتخاب نوکلئوتید، اگزونوکلئاز ویرایشگر '3←'5، سهم ترمیم عدم تطابق پس از همانندسازی در دقت کلی، و تنوع خانواده‌های پلیمراز (همانندسازی، ترمیم، و ترانس‌لزیون) می‌شود. این موضوع جزئیات ساختاری ضایعات منفرد را پوشش نمی‌دهد، که مربوط به مسیرهای ترمیم است.

Core questions

• یک پلیمراز چگونه نوکلئوتید صحیح را برای افزودن در هر موقعیت انتخاب می‌کند؟
• ویرایش چیست و چقدر دقت را بهبود می‌بخشد؟
• ترمیم عدم تطابق چگونه یک لایه دیگر از دقت را پس از سنتز اضافه می‌کند؟
• چرا سلول‌ها چندین پلیمراز مختلف با نقش‌های متفاوت دارند؟

Key theories

مدل دقت لایه‌ای

دقت کلی همانندسازی حاصل سه مرحله است — انتخاب هندسی باز صحیح، ویرایش اگزونوکلئولیتیک '3←'5 بازهای اشتباه وارد شده، و ترمیم عدم تطابق پس از همانندسازی — که هر یک دقت مرحله قبلی را چند برابر می‌کند.

تقسیم کار پلیمراز

خانواده‌های متمایز پلیمرازها وظایف متمایزی را انجام می‌دهند — سنتز همانندسازی با دقت بالا، پر کردن شکاف در طول ترمیم، و سنتز ترانس‌لزیون با دقت پایین‌تر برای عبور از آسیب — به طوری که یک آنزیم نیازی به بهینه‌سازی برای خواسته‌های متضاد ندارد.

Mechanisms

یک پلیمراز همانندسازی، نوکلئوتید ورودی را در جایگاه فعال خود قرار می‌دهد، جایی که هندسه صحیح واتسون-کریک برای کاتالیز کارآمد مورد نیاز است و انتخابی اولیه را فراهم می‌کند. هنگامی که یک نوکلئوتید نادرست به طور تصادفی اضافه می‌شود، انتهای پرایمر تغییر شکل یافته به یک جایگاه اگزونوکلئاز '3←'5 جداگانه منتقل می‌شود که آن را قبل از از سرگیری سنتز حذف می‌کند. خطاهایی که از ویرایش فرار می‌کنند، یک عدم تطابق گذرا ایجاد می‌کنند که سیستم ترمیم عدم تطابق آن را شناسایی کرده، از رشته تازه ساخته شده برش داده و دوباره سنتز می‌کند و دقت خالص را چند برابر می‌کند.

Clinical relevance

نقص‌های ارثی در ویرایش یا ترمیم عدم تطابق، نرخ جهش را افزایش داده و مستعد ابتلا به برخی سرطان‌ها می‌کنند، و پلیمرازهای مهندسی شده با دقت بالا، معرف‌های اصلی در توالی‌یابی و تکثیر DNA هستند. این موارد به عنوان اهمیت ارائه شده‌اند، نه به عنوان راهنمایی بالینی یا تشخیصی.

History

جداسازی DNA پلیمراز I توسط آرتور کورنبرگ در دهه 1950 آنزیم‌شناسی همانندسازی را گشود؛ کارهای بعدی پلیمرازهای همانندسازی را از پلیمرازهای ترمیم و ترانس‌لزیون متمایز کرد و سهم ویرایش و ترمیم عدم تطابق را در نرخ خطای بسیار پایین توصیف شده در متون مدرن کمی‌سازی کرد.

Key figures

• Arthur Kornberg
• Thomas Kunkel

Seminal works

• watson2013
• alberts2014

Frequently asked questions

ویرایش پلیمراز چیست؟

یک فعالیت اگزونوکلئاز '3←'5 داخلی که یک نوکلئوتید اشتباه اضافه شده را بلافاصله پس از وارد شدن، قبل از ادامه سنتز، حذف می‌کند.

آیا همه DNA پلیمرازها به یک اندازه دقیق هستند؟

خیر. پلیمرازهای همانندسازی بسیار دقیق هستند، در حالی که پلیمرازهای تخصصی ترانس‌لزیون دقت را فدای توانایی کپی‌برداری از روی بازهای آسیب‌دیده می‌کنند.