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DNA聚合酶
鎖定
DNA聚合酶，又稱DNA依賴的DNA聚合酶（DNA—dependent DNA polymerase，DNA pol），它是以親代DNA為模板，催化底物dNTP分子聚合形成子代DNA的一類酶。此酶最早是美國科學家Arthur Komberg於1957年在大腸桿菌中發現的，被稱為DNA聚合酶Ⅰ（DNA polymerase Ⅰ，簡稱polⅠ）以後陸續在其他原核生物及真核生物中找到了多種DNA聚合酶。這些DNA聚合酶的共同特徵為：①具有5’→3’聚合酶活性，這就決定了DNA只能沿着5’→3’方向合成；②需要引物，DNA聚合酶不能催化DNA新鏈從頭合成，只能催化dNTP加入核苷酸鏈的3'-OH末端。因而複製之初需要一段RNA引物的3’一OH端為起點，合成5’→3’方向的新鏈。
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- 中文名
- DNA聚合酶
- 外文名
- DNA polymerase [1]
- 別 名
- DNA依賴的DNA聚合酶 [1]
DNA聚合酶歷史
1953年，沃森和克里克發表了經典論文，描述DNA的化學結構，而一些科學家對它的重要性提出了最初的質疑。兩人在論文中提出，DNA的複製原理仍有待確定。當時，美國生物化學家阿瑟·科恩伯格正在密蘇里州聖路易斯市的華盛頓大學微生物學系工作，他認可了這篇論文的重要意義。由此，他開始對機體合成核酸的過程產生了興趣，尤其是合成DNA。他在這些研究中使用的是相對簡單的大腸桿菌，1956年，他發現了裝配DNA基本單位的酶。這種酶被稱為DNA聚合酶Ⅰ，它以幾種不同的變體出現在所有的生物體中。科恩伯格在論文中描述了這些發現，他的論文起初不免遭拒，但之後於1957年被著名的《生物化學期刊》接受並發表。1959年，因為確定了“DNA的生物合成機制”，他成為諾貝爾獎的共同獲得者之一。
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DNA聚合酶Ⅰ(pol Ⅰ)的發現對生物學研究有着非常重要的意義，因為它在生命過程中起着核心作用，令我們認識到DNA如何進行復制與修復。在細胞分裂之前，pol Ⅰ會複製細胞DNA的所有成分。接着，母細胞將其DNA副本傳遞給每一個子細胞，由此將遺傳信息代代相傳。科恩伯格發現pol Ⅰ能讀取完整的DNA鏈，並以之作為模板合成一條新鏈，後者與原DNA鏈完全相同——這個過程和複印機複製文件沒什麼區別。
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不過，複印機在複製文件時是機械性的，它並不在乎文件的內容，與此不同的是，DNA聚合酶7個子類中的某些成員能夠校對原始DNA模板，偵查、移除並改正錯誤，從而生產出一條無誤的新DNA鏈，這其中就包括DNA聚合酶Ⅰ。其他的DNA聚合酶只能複製不能修復，因此它們能夠保留基因組中的突變，或是令細胞死亡。
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DNA聚合酶特性
DNA聚合酶種類
DNA聚合酶原核生物
大腸桿菌DNA聚合酶DNA聚合酶最早在E.coli中發現，到目前為止已確定有5種類型，分別為DNA聚合酶Ⅰ、DNA聚合酶Ⅱ、DNA聚合酶Ⅲ、DNA聚合酶Ⅳ和DNA聚合酶V，都與DNA鏈的延長有關。
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DNA聚合酶 | |||
|---|---|---|---|
3'→5'外切酶活性 | + | + | + |
5'→3'外切酶活性 | + | - | - |
5'→3'聚合酶活性 | + | + | + |
5'→3'聚合酶速度（nt/s） | 16~20 | 40 | 250~1000 |
相對分子質量（×103） | 103 | 90 | 900 |
細胞內分子數 | 400 | ？ | 10~20 |
生物學活性 | 1 | 0.05 | 15 |
功能 | 切除引物，DNA修復 | DNA修復 | DNA複製 |
已知的結構基因 | Pol(A) | Pol(B) | Pol(C)（dnaE、N、Z、X、Q等） |
DNA聚合酶Ⅱ是一種多酶複合體，有5’—3’聚合酶活性中心和3’—5 ’外切酶活性中心，但沒有5 ’—3’外切酶活性中心。其催化5’—3’方向合成反應的活性只有DNA聚合酶Ⅰ的5%。因該酶缺陷的E.coli突變株的DNA複製都正常，所以也不是DNA複製的主要聚合酶，可能是在DNA的損傷修復中起到一定的作用。
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DNA聚合酶Ⅲ是一種多酶複合體，全酶由α、β、γ、δ、ε、θ、τ、χ和ψ中共10種亞基構成，其中α、ε和θ亞基構成全酶的核心。α亞基含5’—3’聚合酶活性中心，ε亞基含3’一5’外切酶活性中心，θ亞基可能起裝配作用，其他亞基各有不同作用。DNA聚合酶Ⅲ活性最高，在DNA複製鏈的延長上起着主導作用，是催化DNA複製合成的主要酶。
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DNA聚合酶真核生物
真核細胞的DNA聚合酶和細菌DNA聚合酶基本性質相同，均以dNTP為底物，需Mg2+激活，聚合時必須有模板鏈和具有3'-OH末端的引物鏈，鏈的延伸方向為5'→3'。但真核細胞的DNA聚合酶一般都不具有核酸外切酶活性，推測一定有另外的酶在DNA複製中起校對作用。
DNA 聚合酶α的功能主要是引物合成，即能起始前導鏈和後隨鏈的合成。它與引發酶形成複合體，因其具有發、延伸鏈的雙重功能，所以又被稱為pol α的引發酶。DNA聚合酶β活性水平穩定，可能主要在DNA損傷的修復中起作用，屬於高忠實性修復酶。DNA聚合酶δ是主要負責DNA複製的酶，參與前導鏈和後隨鏈的合成。而DNA聚合酶ε與後隨鏈合成有關，在DNA合成過程中核苷切除以及鹼基的切除修復中起着重要的作用，而且，它在細胞的重組過程中可能具有某些功能。DNA聚合酶γ在線粒體DNA的複製中發揮作用。
性質 | DNA聚合酶β | DNA聚合酶ε | |||
|---|---|---|---|---|---|
亞基數 | 4 | 1 | 2 | 2~3 | ≥1 |
細胞定位 | 核內 | 核內 | 線粒體 | 核內 | 核內 |
外切酶活性 | - | - | 3'→5'外切酶 | 3'→5'外切酶 | 3'→5'外切酶 |
引物合成酶活性 | + | - | - | - | - |
功能 | 引物合成和核DNA合成 | 損傷修復 | 線粒體DNA合成 | 核DNA合成 | 複製修復 |
DNA聚合酶DNA聚合酶與複製的保真性
DNA聚合酶應用
E.coli的DNA pol Ⅰ涉及DNA損傷修復，在半保留複製中起輔助的作用。DNA polⅡ在修復損傷中也具有重要的作用。DNA polⅢ是一種多亞基的蛋白質，在DNA新鏈的從頭合成中起復制酶的作用。
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複製的忠實性問題會影響到翻譯的精確性，這種忠實性主要依賴於鹼基的特異性配對。據估計每個鹼基對將有10-3。的概率會發生錯配，但實際的錯配率只有10-8~10-10，即每1000個細菌複製週期中，每個基因組只產生一次錯誤。DNA多聚酶能增加互補鹼基的特異性，該特異性主要表現在以下兩方面：
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細菌的三種DNA聚合酶都具有3 7硝’外切活性，逆DNA合成方向進行加工，提供校對功能。在鏈的延伸階段中，一個核苷酸進人生長鏈的末端，形成鍵，該酶就向前移一個鹼基對，準備下一個鹼基對的進入。若一個錯誤產生了，這個酶就向回退，切除最後加進來的這個鹼基，產生一個位點，然後被正確的鹼基取代。
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- 參考資料
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- 1. 施紅主編. 生物化學[M]. 北京：中國中醫藥出版社, 2015.07. 第236頁.
- 2. （美）邁克爾·C.傑拉爾德，（美）格洛麗亞·E.傑拉爾德著；傅臨春譯．生物學之書：重慶大學出版社，2017
- 3. 生吉萍，申琳，羅雲波主編．食品基因工程導論：中國輕工業出版社，2017
- 4. 楊紅，鄭曉珂主編．生物化學：中國醫藥科技出版社，2016
- 5. 朱玉賢, 李毅. 現代分子生物學[M]. 高等教育出版社, 2007.
- 6. 朱玉賢, 李毅. 現代分子生物學[M]. 高等教育出版社, 2007.
- 7. 温進坤主審；施紅主編；王和生，田餘祥，青獻春，郭平副主編. 生物化學[M]. 北京：中國中醫藥出版社, 2015.07.236
