ДНК-полимеразы и синтез ДНК

ДНК-полимеразы — это ферменты, которые синтезируют новые цепи ДНК, добавляя нуклеотиды к затравочной матрице, и они играют центральную роль как в копировании генома, так и в его репарации. Их матрично-направленный химизм, процессивность и встроенная коррекция ошибок совместно определяют точность передачи генетической информации.

Definition

ДНК-зависимая ДНК-полимераза — это фермент, который катализирует матрично-направленное присоединение дезоксирибонуклеотидов к 3'-концу растущей цепи, копируя матрицу ДНК в направлении 5'-к-3'.

Scope

Статья охватывает каталитический механизм матрично-направленного присоединения нуклеотидов, полярность 5'-к-3' и требование праймера, коррекцию ошибок посредством 3'-к-5' экзонуклеазной активности, факторы процессивности и существование различных семейств полимераз, специализированных для репликации, репарации и синтеза через повреждения. Это справочная тема по механизмам.

Key concepts

• Матрично-направленное присоединение нуклеотидов
• Требование праймера и матрицы
• Полярность синтеза 5' к 3'
• Коррекция ошибок (3' к 5' экзонуклеаза)
• Точность репликации
• Процессивность и скользящие зажимы
• Семейства полимераз (репликативные, репарационные, транслезионные)

Mechanisms

ДНК-полимеразы присоединяют дезоксирибонуклеозидтрифосфаты по одному к свободному 3'-гидроксилу затравочной цепи, выбирая каждый входящий нуклеотид по принципу комплементарности Уотсона-Крика к матрице, что придает синтезу определенное направление 5'-к-3' и его зависимость как от матрицы, так и от праймера. Многие репликативные полимеразы обладают отдельной 3'-к-5' экзонуклеазной (корректирующей) активностью, которая вырезает ошибочно включенные нуклеотиды, значительно снижая частоту ошибок; оставшиеся несоответствия исправляются системой репарации неспаренных оснований, и вместе эти механизмы определяют общую точность репликации. Факторы процессивности, такие как скользящие зажимы, удерживают полимеразу связанной, чтобы она могла копировать длинные участки без диссоциации. Клетки содержат несколько семейств полимераз с различными ролями: высокоточные ферменты для репликации генома, специализированные полимеразы для заполнения пробелов и репарации, а также менее точные транслезионные полимеразы, которые могут копировать поврежденные основания матрицы.

Clinical relevance

Точность полимераз и поддерживающие ее пути репарации имеют центральное значение для поддержания целостности генома, а дефекты в этих процессах связаны с нестабильностью генома. Данная статья является справочной по биологии и не служит основой для индивидуальных клинических решений.

History

Выделение Артуром Корнбергом фермента, синтезирующего ДНК, в конце 1950-х годов установило, что репликация ДНК является ферментативно катализируемым процессом, и определило основные каталитические требования. Более поздние работы выделили множество эукариотических полимераз, охарактеризовали коррекцию ошибок и репарацию неспаренных оснований как детерминанты точности, а также описали специализированные транслезионные полимеразы, что дало современное представление о семействе ферментов с разделением труда.

Key figures

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

Seminal works

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

Frequently asked questions

Почему ДНК-полимеразе нужен праймер?

ДНК-полимеразы могут только удлинять существующую цепь, добавляя нуклеотиды к свободному 3'-гидроксилу; они не могут начать новую цепь с нуля, поэтому короткий праймер (обычно РНК, синтезируемый праймазой) предоставляет начальный 3'-конец.

Как полимеразы поддерживают точность репликации?

Они выбирают нуклеотиды по принципу спаривания оснований с матрицей, и многие из них могут осуществлять коррекцию ошибок, используя 3'-к-5' экзонуклеазу для удаления ошибочного нуклеотида перед продолжением; затем репарация неспаренных оснований исправляет ошибки, которые избежали коррекции.