ดีเอ็นเอ พอลิเมอเรสและการสังเคราะห์

ดีเอ็นเอ พอลิเมอเรสเป็นเอนไซม์ที่สังเคราะห์สายดีเอ็นเอใหม่โดยการเพิ่มนิวคลีโอไทด์เข้ากับแม่แบบที่มีไพรเมอร์ และมีความสำคัญอย่างยิ่งทั้งในการคัดลอกจีโนมและการซ่อมแซมจีโนม กลไกทางเคมีที่อาศัยแม่แบบ, ความสามารถในการทำงานต่อเนื่อง, และการแก้ไขข้อผิดพลาดในตัวของมันเอง ล้วนเป็นตัวกำหนดความแม่นยำในการส่งผ่านข้อมูลทางพันธุกรรม

Definition

ดีเอ็นเอ-ดีเพนเดนต์ ดีเอ็นเอ พอลิเมอเรส (DNA-directed DNA polymerase) คือเอนไซม์ที่เร่งปฏิกิริยาการเพิ่มดีออกซีไรโบนิวคลีโอไทด์ที่อาศัยแม่แบบเข้ากับปลาย 3' ของสายที่กำลังเติบโต โดยคัดลอกแม่แบบดีเอ็นเอในทิศทาง 5'-ถึง-3'

Scope

เนื้อหานี้ครอบคลุมกลไกการเร่งปฏิกิริยาของการเพิ่มนิวคลีโอไทด์ที่อาศัยแม่แบบ, ทิศทาง 5'-ถึง-3' และความต้องการไพรเมอร์, การพิสูจน์อักษรโดยกิจกรรมของ 3'-ถึง-5' เอ็กโซนิวคลีเอส, ปัจจัยที่ส่งเสริมการทำงานต่อเนื่อง, และการมีอยู่ของตระกูลพอลิเมอเรสที่แตกต่างกันซึ่งเชี่ยวชาญในการจำลองแบบ, การซ่อมแซม, และการสังเคราะห์ข้ามรอยโรค นี่เป็นหัวข้ออ้างอิงเชิงกลไก

Key concepts

• การเพิ่มนิวคลีโอไทด์ที่อาศัยแม่แบบ
• ความต้องการไพรเมอร์และแม่แบบ
• ทิศทางการสังเคราะห์ 5' ถึง 3'
• การพิสูจน์อักษร (3' ถึง 5' เอ็กโซนิวคลีเอส)
• ความแม่นยำในการจำลองแบบ
• ความสามารถในการทำงานต่อเนื่องและแคลมป์เลื่อน
• ตระกูลพอลิเมอเรส (จำลองแบบ, ซ่อมแซม, สังเคราะห์ข้ามรอยโรค)

Mechanisms

ดีเอ็นเอ พอลิเมอเรสจะเพิ่มดีออกซีไรโบนิวคลีโอไซด์ ไตรฟอสเฟตทีละตัวเข้ากับหมู่ 3'-ไฮดรอกซิลอิสระของสายไพรเมอร์ โดยเลือกนิวคลีโอไทด์ที่เข้ามาแต่ละตัวตามหลักการจับคู่เบสแบบวัตสัน-คริกกับแม่แบบ ซึ่งทำให้การสังเคราะห์มีทิศทางที่กำหนดคือ 5'-ถึง-3' และต้องอาศัยทั้งแม่แบบและไพรเมอร์ พอลิเมอเรสที่ใช้ในการจำลองแบบจำนวนมากมีกิจกรรม 3'-ถึง-5' เอ็กโซนิวคลีเอส (การพิสูจน์อักษร) แยกต่างหาก ซึ่งจะตัดนิวคลีโอไทด์ที่ใส่ผิดออกไป ช่วยลดอัตราความผิดพลาดได้อย่างมาก ส่วนการจับคู่เบสที่ผิดพลาดที่เหลืออยู่จะได้รับการแก้ไขโดยกลไกการซ่อมแซมการจับคู่เบสที่ผิดพลาด (mismatch repair) และกลไกเหล่านี้ร่วมกันเป็นตัวกำหนดความแม่นยำโดยรวมของการจำลองแบบ ปัจจัยที่ส่งเสริมการทำงานต่อเนื่อง เช่น แคลมป์เลื่อน (sliding clamps) จะช่วยให้พอลิเมอเรสยึดเกาะอยู่ได้ เพื่อให้สามารถคัดลอกสายยาวๆ ได้โดยไม่หลุดออก เซลล์มีตระกูลพอลิเมอเรสหลายชนิดที่มีบทบาทแตกต่างกัน: เอนไซม์ที่มีความแม่นยำสูงสำหรับการจำลองแบบจีโนม, พอลิเมอเรสที่เชี่ยวชาญสำหรับการเติมช่องว่างและการซ่อมแซม, และพอลิเมอเรสที่สังเคราะห์ข้ามรอยโรค (translesion polymerases) ที่มีความแม่นยำต่ำกว่า ซึ่งสามารถคัดลอกผ่านเบสแม่แบบที่เสียหายได้

Clinical relevance

ความแม่นยำของพอลิเมอเรสและวิถีการซ่อมแซมที่สนับสนุนความแม่นยำนั้นมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการรักษาความสมบูรณ์ของจีโนม และความบกพร่องในกิจกรรมเหล่านี้เชื่อมโยงกับความไม่เสถียรของจีโนม เนื้อหานี้เป็นข้อมูลอ้างอิงทางชีววิทยาและไม่ใช่พื้นฐานสำหรับการตัดสินใจทางคลินิกส่วนบุคคล

History

การแยกเอนไซม์สังเคราะห์ดีเอ็นเอของ Arthur Kornberg ในช่วงปลายทศวรรษ 1950 ได้ยืนยันว่าการจำลองแบบดีเอ็นเอถูกเร่งปฏิกิริยาโดยเอนไซม์ และได้กำหนดข้อกำหนดพื้นฐานของการเร่งปฏิกิริยา งานวิจัยต่อมาได้แยกแยะพอลิเมอเรสในยูคาริโอตหลายชนิด, ระบุลักษณะของการพิสูจน์อักษรและการซ่อมแซมการจับคู่เบสที่ผิดพลาดว่าเป็นตัวกำหนดความแม่นยำ, และอธิบายพอลิเมอเรสที่สังเคราะห์ข้ามรอยโรคที่เชี่ยวชาญ ทำให้เกิดภาพที่ทันสมัยของตระกูลเอนไซม์ที่มีการแบ่งหน้าที่กัน

Key figures

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

Seminal works

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

Frequently asked questions

ทำไมดีเอ็นเอ พอลิเมอเรสจึงต้องการไพรเมอร์?

ดีเอ็นเอ พอลิเมอเรสสามารถต่อสายที่มีอยู่แล้วได้โดยการเพิ่มนิวคลีโอไทด์เข้ากับหมู่ 3'-ไฮดรอกซิลอิสระเท่านั้น ไม่สามารถเริ่มต้นสายใหม่ได้ตั้งแต่ต้น ดังนั้นไพรเมอร์สั้นๆ (โดยปกติคือ RNA ที่สร้างโดยไพรเมส) จึงเป็นตัวให้ปลาย 3' เริ่มต้น

พอลิเมอเรสรักษาความแม่นยำในการจำลองแบบได้อย่างไร?

พวกมันเลือกนิวคลีโอไทด์โดยการจับคู่เบสกับแม่แบบ และหลายชนิดสามารถพิสูจน์อักษรได้ โดยใช้ 3'-ถึง-5' เอ็กโซนิวคลีเอสเพื่อกำจัดนิวคลีโอไทด์ที่ผิดก่อนที่จะดำเนินการต่อ จากนั้นการซ่อมแซมการจับคู่เบสที่ผิดพลาดจะแก้ไขข้อผิดพลาดที่หลุดรอดจากการพิสูจน์อักษร