DNA Polymerase và Tổng hợp DNA

DNA polymerase là các enzyme tổng hợp các sợi DNA mới bằng cách thêm các nucleotide vào một khuôn mẫu đã được mồi, và chúng đóng vai trò trung tâm trong cả việc sao chép bộ gen và sửa chữa nó. Cơ chế hóa học định hướng khuôn mẫu, tính liên tục (processivity) và khả năng sửa lỗi tích hợp của chúng cùng nhau quyết định mức độ chính xác của việc truyền thông tin di truyền.

Definition

DNA polymerase định hướng DNA là một enzyme xúc tác quá trình thêm deoxyribonucleotide định hướng khuôn mẫu vào đầu 3' của một sợi đang phát triển, sao chép một khuôn mẫu DNA theo chiều 5' sang 3'.

Scope

Mục này bao gồm cơ chế xúc tác của việc thêm nucleotide định hướng khuôn mẫu, tính phân cực 5' sang 3' và yêu cầu về mồi, khả năng đọc sửa (proofreading) bằng hoạt động exonuclease 3' sang 5', các yếu tố liên tục (processivity factors), và sự tồn tại của các họ polymerase riêng biệt chuyên biệt cho quá trình sao chép, sửa chữa và tổng hợp xuyên tổn thương (translesion synthesis). Đây là một chủ đề tham khảo về cơ chế.

Key concepts

• Thêm nucleotide định hướng khuôn mẫu
• Yêu cầu về mồi và khuôn mẫu
• Tính phân cực tổng hợp 5' sang 3'
• Đọc sửa (exonuclease 3' sang 5')
• Độ trung thực sao chép
• Tính liên tục và kẹp trượt
• Các họ polymerase (sao chép, sửa chữa, xuyên tổn thương)

Mechanisms

DNA polymerase thêm các deoxyribonucleoside triphosphate từng cái một vào nhóm 3'-hydroxyl tự do của một sợi mồi, chọn mỗi nucleotide đến bằng cách bổ sung Watson-Crick với khuôn mẫu, điều này mang lại cho quá trình tổng hợp hướng 5' sang 3' xác định và sự phụ thuộc vào cả khuôn mẫu và mồi. Nhiều polymerase sao chép mang một hoạt động exonuclease 3' sang 5' (đọc sửa) riêng biệt để cắt bỏ các nucleotide bị kết hợp sai, làm giảm đáng kể tỷ lệ lỗi; các sai lệch còn lại được sửa chữa bằng cơ chế sửa chữa sai cặp (mismatch repair), và cùng nhau các cơ chế này xác định độ trung thực tổng thể của quá trình sao chép. Các yếu tố liên tục (processivity factors) như kẹp trượt (sliding clamps) giữ cho polymerase liên kết để nó có thể sao chép các đoạn dài mà không bị phân ly. Các tế bào chứa nhiều họ polymerase với các vai trò riêng biệt: các enzyme có độ trung thực cao để sao chép bộ gen, các polymerase chuyên biệt để lấp đầy khoảng trống và sửa chữa, và các polymerase xuyên tổn thương (translesion polymerases) có độ trung thực thấp hơn có thể sao chép qua các bazơ khuôn mẫu bị hư hại.

Clinical relevance

Độ trung thực của polymerase và các con đường sửa chữa hỗ trợ nó là yếu tố trung tâm trong việc duy trì tính toàn vẹn của bộ gen, và các khiếm khuyết trong các hoạt động này có liên quan đến sự mất ổn định của bộ gen. Mục này là sinh học tham khảo và không phải là cơ sở cho các quyết định lâm sàng cá nhân.

History

Việc Arthur Kornberg phân lập một enzyme tổng hợp DNA vào cuối những năm 1950 đã xác định rằng quá trình sao chép DNA được xúc tác bởi enzyme và định nghĩa các yêu cầu xúc tác cơ bản. Công trình sau này đã phân biệt nhiều polymerase của sinh vật nhân chuẩn, mô tả khả năng đọc sửa và sửa chữa sai cặp như những yếu tố quyết định độ trung thực, và mô tả các polymerase xuyên tổn thương chuyên biệt, mang lại bức tranh hiện đại về một họ enzyme với sự phân công lao động.

Key figures

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

Seminal works

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

Frequently asked questions

Tại sao DNA polymerase cần mồi?

DNA polymerase chỉ có thể kéo dài một sợi hiện có bằng cách thêm nucleotide vào nhóm 3'-hydroxyl tự do; chúng không thể bắt đầu một sợi mới từ đầu, vì vậy một mồi ngắn (thường là RNA, được tạo ra bởi primase) cung cấp đầu 3' khởi đầu.

Làm thế nào polymerase duy trì độ chính xác của quá trình sao chép?

Chúng chọn nucleotide bằng cách bắt cặp bazơ với khuôn mẫu và nhiều loại có thể đọc sửa, sử dụng exonuclease 3' sang 5' để loại bỏ một nucleotide sai trước khi tiếp tục; sau đó, cơ chế sửa chữa sai cặp sẽ sửa các lỗi thoát khỏi quá trình đọc sửa.