DNA-POLYMERASE: SOORTEN, FUNCTIE EN STRUCTUUR - BIOLOGIE - 2026

Het DNA-polymerase is een enzym dat verantwoordelijk is voor het katalyseren van de polymerisatie van de nieuwe DNA-streng tijdens replicatie van dit molecuul. De belangrijkste functie is om de trifosfaatdeoxyribonucleotiden te koppelen aan die van de templateketen. Het is ook betrokken bij DNA-reparatie.

Dit enzym maakt de juiste koppeling tussen de DNA-basen van de matrijsketen en de nieuwe mogelijk, volgens het schema van A-paren met T en G met C.

Structuur van DNA-polymerase bèta bij mensen.
Bron: Yikrazuul, van Wikimedia Commons

Het proces van DNA-replicatie moet effectief zijn en moet snel worden uitgevoerd, dus DNA-polymerase werkt door ongeveer 700 nucleotiden per seconde toe te voegen en maakt slechts één fout per ¹⁰⁹ of 10 ¹⁰ geïncorporeerde nucleotiden.

Er zijn verschillende soorten DNA-polymerase. Deze variëren in zowel eukaryoten als prokaryoten, en elk heeft een specifieke rol bij DNA-replicatie en -herstel.

Het is mogelijk dat een van de eerste enzymen die in de evolutie verscheen, polymerasen waren, aangezien het vermogen om het genoom nauwkeurig te repliceren een intrinsieke vereiste is voor de ontwikkeling van organismen.

De ontdekking van dit enzym wordt toegeschreven aan Arthur Kornberg en zijn collega's. Deze onderzoeker identificeerde DNA-polymerase I (Pol I) in 1956, terwijl hij met Escherichia coli werkte. Evenzo waren het Watson en Crick die voorstelden dat dit enzym getrouwe kopieën van het DNA-molecuul zou kunnen produceren.

Soorten

Prokaryoten

Prokaryote organismen (organismen zonder echte kern, begrensd door een membraan) bezitten drie belangrijke DNA-polymerasen, gewoonlijk afgekort als pol I, II en III.

DNA-polymerase I neemt deel aan DNA-replicatie en -herstel en heeft exonuclease-activiteit in beide richtingen. De rol van dit enzym bij replicatie wordt als secundair beschouwd.

II neemt deel aan DNA-herstel en de exonucleaseactiviteit ervan is in de 3'-5'-betekenis. III neemt deel aan de replicatie en herziening van DNA en vertoont, net als het vorige enzym, exonuclease-activiteit in de 3'-5'-betekenis.

Eukaryoten

Eukaryoten (organismen met een echte kern, afgebakend door een membraan) hebben vijf DNA-polymerasen, genoemd met letters van het Griekse alfabet: α, β, γ, δ en ε.

Polymerase γ bevindt zich in de mitochondriën en is verantwoordelijk voor de replicatie van genetisch materiaal in dit celorganel. De andere vier worden daarentegen in de celkern aangetroffen en zijn betrokken bij nucleaire DNA-replicatie.

De α-, δ- en ε-varianten zijn het meest actief in het celdelingsproces, wat suggereert dat hun belangrijkste functie verband houdt met de productie van DNA-kopieën.

DNA-polymerase β, van zijn kant, vertoont pieken van activiteit in cellen die niet delen, dus wordt aangenomen dat de belangrijkste functie ervan verband houdt met DNA-herstel.

Verschillende experimenten hebben de hypothese kunnen verifiëren dat ze meestal α-, δ- en ε-polymerasen associëren met DNA-replicatie. Typen γ, δ en ε vertonen 3'-5 'exonuclease-activiteit.

Bogen

Nieuwe sequentiemethoden zijn erin geslaagd een grote verscheidenheid aan DNA-polymerase-families te identificeren. Specifiek in archaea is een familie van enzymen geïdentificeerd, de D-familie genaamd, die uniek is voor deze groep organismen.

Functies: DNA-replicatie en reparatie

Wat is DNA-replicatie?

DNA is het molecuul dat alle genetische informatie van een organisme bevat. Het bestaat uit een suiker, een stikstofbase (adenine, guanine, cytosine en thymine) en een fosfaatgroep.

Tijdens de continu optredende celdelingsprocessen moet DNA snel en nauwkeurig worden gekopieerd - met name in de S-fase van de celcyclus. Dit proces waarbij de cel DNA kopieert, staat bekend als replicatie.

Structureel bestaat het DNA-molecuul uit twee strengen die een helix vormen. Tijdens het replicatieproces scheiden deze zich en elk fungeert als een sjabloon voor de vorming van een nieuw molecuul. Aldus gaan de nieuwe strengen naar de dochtercellen tijdens het celdelingsproces.

Omdat elke streng als een sjabloon dient, wordt gezegd dat DNA-replicatie semi-conservatief is - aan het einde van het proces bestaat het nieuwe molecuul uit een nieuwe en een oude streng. Dit proces werd in 1958 beschreven door onderzoekers Meselson en Stahl met behulp van isopoten.

DNA-replicatie vereist een reeks enzymen die het proces katalyseren. Onder deze eiwitmoleculen valt DNA-polymerase op.

Reactie

Om DNA-synthese te laten plaatsvinden, zijn de substraten die nodig zijn voor het proces: deoxyribonucleotide-trifosfaat (dNTP)

Het reactiemechanisme omvat een nucleofiele aanval door de hydroxylgroep aan het 3'-uiteinde van de groeiende streng op het alfafosfaat van de complementaire dNTP's, waarbij een pyrofosfaat wordt geëlimineerd. Deze stap is erg belangrijk, aangezien de energie voor polymerisatie afkomstig is van de hydrolyse van de dNTP's en het resulterende pyrofosfaat.

De pol III of alfa bindt aan de primer (zie eigenschappen van polymerasen) en begint nucleotiden toe te voegen. De epsilon verlengt de geleidingsketting en de delta verlengt de vertraagde streng.

Eigenschappen van DNA-polymerasen

Alle bekende DNA-polymerasen delen twee essentiële eigenschappen die verband houden met het replicatieproces.

Ten eerste synthetiseren alle polymerasen de DNA-streng in de 5'-3'-richting, waarbij de dNTP's worden toegevoegd aan de hydroxylgroep van de groeiende keten.

Ten tweede kunnen DNA-polymerasen niet vanaf nul beginnen met het synthetiseren van een nieuwe streng. Ze hebben een extra element nodig dat bekend staat als een primer of primer, een molecuul dat bestaat uit een paar nucleotiden die een vrije hydroxylgroep opleveren, waar het polymerase zich kan verankeren en zijn activiteit kan beginnen.

Dit is een van de fundamentele verschillen tussen DNA- en RNA-polymerasen, aangezien de laatste in staat is om de synthese van een de novo-keten op gang te brengen.

Fragmenten van Okazaki

De eerste eigenschap van DNA-polymerasen die in de vorige sectie werd genoemd, vertegenwoordigt een complicatie voor semi-conservatieve replicatie. Aangezien de twee DNA-strengen antiparallel lopen, wordt een van hen discontinu gesynthetiseerd (degene die in de 3'-5'-betekenis zou moeten worden gesynthetiseerd).

In de vertraagde streng vindt discontinue synthese plaats door de normale activiteit van het polymerase, 5'-3 ', en de resulterende fragmenten - in de literatuur bekend als Okazaki-fragmenten - zijn verbonden door een ander enzym, ligase.

DNA-reparatie

DNA wordt voortdurend blootgesteld aan factoren, zowel endogene als exogene, die het kunnen beschadigen. Deze schade kan replicatie blokkeren en zich ophopen, waardoor de expressie van genen wordt beïnvloed, waardoor problemen ontstaan ​​in de verschillende cellulaire processen.

Naast zijn rol in het DNA-replicatieproces, is polymerase ook een sleutelcomponent van DNA-herstelmechanismen. Ze kunnen ook fungeren als sensoren in de celcyclus die het binnendringen van de delingsfase voorkomen als DNA beschadigd is.

Structuur

Momenteel zijn dankzij kristallografiestudies de structuren van verschillende polymerasen opgehelderd. Op basis van hun primaire sequentie worden polymerasen gegroepeerd in families: A, B, C, X en Y.

Sommige aspecten zijn gemeenschappelijk voor alle polymerasen, vooral die welke verband houden met de katalytische centra van het enzym.

Deze omvatten twee belangrijke actieve sites die metaalionen bevatten, met twee aspartaatresiduen en één variabel residu - aspartaat of glutamaat, dat de metalen coördineert. Er is nog een reeks geladen residuen die het katalytische centrum omringen en die in de verschillende polymerasen worden bewaard.

In prokaryoten is DNA-polymerase I een polypeptide van 103 kd, II is een polypeptide van 88 kd en bestaat III uit tien subeenheden.

In eukaryoten zijn de enzymen groter en complexer: α bestaat uit vijf eenheden, β en γ uit één subeenheid, δ uit twee subeenheden en ε uit 5.

Toepassingen

PRC

De polymerasekettingreactie (PRC) is een methode die in alle laboratoria voor moleculaire biologie wordt gebruikt, dankzij zijn bruikbaarheid en eenvoud. Het doel van deze methode is om een ​​DNA-molecuul van belang massaal te versterken.

Om dit te bereiken gebruiken biologen een DNA-polymerase dat niet wordt beschadigd door hitte (hoge temperaturen zijn essentieel voor dit proces) om het molecuul te versterken. Het resultaat van dit proces is een groot aantal DNA-moleculen die voor verschillende doeleinden kunnen worden gebruikt.

Een van de meest opmerkelijke klinische toepassingen van de techniek is het gebruik ervan bij medische diagnose. PRC kan worden gebruikt om patiënten te controleren op pathogene bacteriën en virussen.

Antibiotica en antitumormiddelen

Een aanzienlijk aantal geneesmiddelen heeft tot doel de mechanismen van DNA-replicatie in het pathogene organisme, of het nu een virus of een bacterie is, in te korten.

In sommige gevallen is het doelwit de remming van de DNA-polymerase-activiteit. Het chemotherapeutische medicijn cytarabine, ook wel cytosine arabinoside genoemd, schakelt DNA-polymerase uit.

Referenties

1. Alberts, B., Bray, D., Hopkin, K., Johnson, AD, Lewis, J., Raff, M.,… & Walter, P. (2015). Essentiële celbiologie. Garland Science.
2. Cann, IK en Ishino, Y. (1999). Archaeale DNA-replicatie: identificatie van de stukjes om een ​​puzzel op te lossen. Genetics, 152 (4), 1249-67.
3. Cooper, GM en Hausman, RE (2004). De cel: moleculaire benadering. Medicinska naklada.
4. Garcia-Diaz, M., en Bebenek, K. (2007). Meerdere functies van DNA-polymerasen. Kritische recensies in plantwetenschappen, 26 (2), 105-122.
5. Shcherbakova, PV, Bebenek, K., & Kunkel, TA (2003). Functies van eukaryote DNA-polymerasen. Science's SAGE KE, 2003 (8), 3.
6. Steitz, TA (1999). DNA-polymerasen: structurele diversiteit en gemeenschappelijke mechanismen. Journal of Biological Chemistry, 274 (25), 17395-17398.
7. Wu, S., Beard, WA, Pedersen, LG en Wilson, SH (2013). Structurele vergelijking van DNA-polymerasearchitectuur suggereert een nucleotide-gateway naar de actieve polymerase-site. Chemical Reviews, 114 (5), 2759-74.