ДНК-полимеразы и точность репликации

Ферменты, синтезирующие новую ДНК, и многоуровневые механизмы — селекция оснований, коррекция ошибок и репарация неспаренных оснований — которые обеспечивают чрезвычайно редкое возникновение ошибок копирования.

Definition

ДНК-полимеразы — это ферменты, которые катализируют матричное добавление дезоксирибонуклеотидов к растущей цепи; точность репликации относится к совокупной точности отбора нуклеотидов, коррекции ошибок и репарации неспаренных оснований, которая определяет, насколько редко ошибочное основание окончательно включается в цепь.

Scope

Эта тема охватывает каталитические свойства ДНК-полимераз и множественные защитные механизмы, обеспечивающие высокую точность репликации. Она рассматривает геометрию отбора нуклеотидов, 3'→5' корректирующую экзонуклеазу, вклад пострепликативной репарации неспаренных оснований в общую точность и разнообразие семейств полимераз (репликативные, репарационные и транслезионные). Она не охватывает структурные детали отдельных повреждений, которые относятся к путям репарации.

Core questions

• Как полимераза выбирает правильный нуклеотид для добавления в каждую позицию?
• Что такое коррекция ошибок и насколько она повышает точность?
• Как репарация неспаренных оснований добавляет дополнительный уровень точности после синтеза?
• Почему у клеток есть несколько разных полимераз с разными функциями?

Key theories

Многоуровневая модель точности

Общая точность репликации является результатом трех этапов — геометрического отбора правильного основания, 3'→5' экзонуклеолитической коррекции ошибочно включенных оснований и пострепликативной репарации неспаренных оснований — каждый из которых умножает точность предыдущего.

Разделение труда полимераз

Различные семейства полимераз выполняют различные задачи — высокоточный репликативный синтез, заполнение пробелов во время репарации и менее точный транслезионный синтез мимо повреждений — так что одному ферменту не нужно оптимизироваться для противоречивых требований.

Mechanisms

Репликативная полимераза позиционирует входящий нуклеотид в своем активном центре, где для эффективного катализа требуется правильная геометрия Уотсона-Крика, что обеспечивает начальную селективность. Когда ошибочный нуклеотид случайно добавляется, искаженный праймерный конец перемещается в отдельный 3'→5' экзонуклеазный сайт, который удаляет его до возобновления синтеза. Ошибки, избежавшие коррекции, оставляют временное неспаривание, которое система репарации неспаренных оснований обнаруживает, вырезает из вновь синтезированной цепи и ресинтезирует, многократно увеличивая чистую точность.

Clinical relevance

Наследственные дефекты коррекции ошибок или репарации неспаренных оснований повышают частоту мутаций и предрасполагают к некоторым видам рака, а сконструированные высокоточные полимеразы являются основными реагентами в секвенировании и амплификации ДНК. Представлено как значимость, а не как клиническое или диагностическое руководство.

History

Выделение ДНК-полимеразы I Артуром Корнбергом в 1950-х годах положило начало энзимологии репликации; последующая работа разграничила репликативные, репарационные и транслезионные полимеразы и количественно оценила вклад коррекции ошибок и репарации неспаренных оснований в очень низкую частоту ошибок, описанную в современных текстах.

Key figures

• Arthur Kornberg
• Thomas Kunkel

Seminal works

• watson2013
• alberts2014

Frequently asked questions

Что такое коррекция ошибок полимеразой?

Встроенная 3'→5' экзонуклеазная активность, которая удаляет ошибочно добавленный нуклеотид сразу после его включения, до продолжения синтеза.

Все ли ДНК-полимеразы одинаково точны?

Нет. Репликативные полимеразы очень точны, в то время как специализированные транслезионные полимеразы жертвуют точностью ради способности копировать поврежденные основания.