DNA polimerasi

Struttura 3d dell'elica - tornante - elica motivo di legame al DNA della DNA polimerasi umana Dati chiave

CE n.	CE 2.7.7.7
numero CAS	9012-90-2

Attività enzimatica

IUBMB	Ingresso IUBMB
IntEnz	Vista IntEnz
BRENDA	Ingresso BRENDA
KEGG	Ingresso KEGG
MetaCyc	Passaggio metabolico
PRIAM	Profilo
PDB	RCSB PDB PDBe PDBj PDBsum
ANDARE	AmiGO / EGO

Una DNA polimerasi è un complesso enzimatico coinvolto nella replicazione del DNA durante il ciclo cellulare, ma anche nei processi di riparazione e ricombinazione del DNA. Le DNA polimerasi utilizzano il desossiribonucleoside trifosfato come base per la sintesi di un filamento di DNA, utilizzando un altro filamento di DNA come stampo. Questo processo replicativo utilizza la complementarità delle basi nucleiche per guidare la sintesi del nuovo filamento dal filamento stampo. Ci sono diverse famiglie polimerasi, che si differenziano per la sequenza di aminoacidi e le loro proprietà catalizzatore .

Meccanismo

Avviare

Tutte le DNA polimerasi sintetizzano il DNA nella direzione 5 '→ 3' , in tutti gli organismi viventi, e nessuna è in grado di avviare la sintesi di un filamento de novo . Possono solo aggiungere nucleotidi a un'estremità ossidrile libera, in generale il 3'-OH del filamento che viene sintetizzato. Per questo motivo la DNA polimerasi necessita di un primer (o primer ), su cui aggiungere nuovi desossiribonucleotidi.

Il primer può essere DNA o RNA . Nel caso della replicazione , il primer costituito da RNA viene sintetizzato da un altro enzima, detto primasi , all'interno del complesso di replicazione detto replisoma . Questo contiene anche un enzima, l' elicasi , necessario per separare i due filamenti di DNA e quindi consentire l'accesso e la replicazione della DNA polimerasi. Nel caso di processi di riparazione e ricombinazione , il primer è costituito da un segmento di DNA risultante dalla scissione da parte di un'endonucleasi del filamento danneggiato o ricombinante, che rilascia un'estremità 3'-OH libera.

Allungamento e processività

Le varie DNA polimerasi differiscono nella loro capacità di allungare il DNA senza dissociarsi dal filamento stampo, una caratteristica chiamata processività . Alcune DNA polimerasi sono debolmente associate al loro substrato e si rompono dopo aver polimerizzato solo pochi nucleotidi. Questo è chiamato DNA polimerasi distributivo , che è una caratteristica di molte polimerasi coinvolte nei processi di riparazione. Le DNA polimerasi replicative, d'altra parte, sono molto fortemente legate al filamento stampo e non si dissociano. Possono polimerizzare diverse centinaia di migliaia di nucleotidi contemporaneamente. Si parla quindi di DNA polimerasi processive . Una proteina cofattore , il gripper (o clamp ), chiamato PCNA negli eucarioti e negli archaea e complesso β nei batteri , si lega alle polimerasi replicative e ne aumenta significativamente la processività.

L'attività delle DNA polimerasi richiede la presenza di ioni Mg 2+ come cofattori che si legano in particolare ai gruppi fosfato dei nucleotidi e del DNA .

Lealtà e correzione di bozze

Alcune DNA polimerasi, che hanno anche un'attività esonucleasica 3 '→ 5' , hanno la capacità di correggere gli errori di incorporazione nel filamento appena formato. Quando la DNA polimerasi commette un errore e si forma un disallineamento nel sito attivo dell'enzima, l'enzima può risalire e idrolizzare il nucleotide errato: questa è l' attività esonucleasica 3'-5' , detta anche funzione di modifica . Può quindi reinserire il database corretto e riprendere la replica. Questo processo di correzione delle bozze della DNA polimerasi migliora la fedeltà del processo replicativo e riduce il tasso di errore.

Al contrario, alcune DNA polimerasi sono poco fedeli e commettono errori di incorporazione di nucleotidi con una frequenza maggiore. Queste DNA polimerasi sono utilizzate specificamente nei processi di riparazione del DNA. La loro specificità rilassata consente loro di replicare lesioni contenenti DNA, cioè basi alterate da modificazioni chimiche, derivanti ad esempio dall'azione di radiazioni UV, agenti ionizzanti o mutageni. Si parla di DNA polimerasi translésional .

Si parla anche di una funzione di correzione di bozze o correzione di bozze (" proofreading " in inglese) delle DNA polimerasi.

DNA polimerasi nei procarioti

Nei procarioti sono state identificate cinque DNA polimerasi:

Pol I : coinvolto nella riparazione e replicazione del DNA. Ha un'attività di polimerasi 5 '→ 3' ,un'attività diesonucleasi 3 '→ 5' per la correzione di bozze e infine un'attività di esonucleasi 5 ' -3 ' che gli consente di rimuovere i primer di RNA dai frammenti di Okazaki per un periodo di tempo. . La sua attività polimerasi gli consente di sintetizzare il DNA destinato ad essere immediatamente suturato da una DNA ligasi .

Pol I è poco processivo e si dissocia dalla matrice dopo l'aggiunta di una ventina di nucleotidi. In biologia molecolare viene utilizzata solo una parte della proteina, chiamata frammento di Klenow . Questo frammento contiene l'attività della polimerasi 5 '→ 3' e l'attività esonucleasica 3 '→ 5' .

Pol II : coinvolto nella replicazione del DNA danneggiato, ha attività 5 '→ 3' polimerasie 3 '→ 5' attività esonucleasica.

Il Pol II non è molto elaborativo.

Pol III : è la principale polimerasi, che interviene nell'allungamento della catena del DNA durante la replicazione a livello del filamento avanzato e la sintesi dei frammenti di Okazaki . È costituito da tre subunità che costituiscono l'oloenzima:
- la subunità α ( alfa ) ha un'attività della polimerasi 5 '→ 3' ,
- la subunità ε ( epsilon ) ha un'attività esonucleasica 3 '→ 5' e
- la subunità θ ( theta ) stimola l' attività di “ correzione bozze ” della precedente.
Questo oloenzima costituisce il nucleo di un replisoma formato da dieci proteine in tutto :
- due oloenzimi della polimerasi III ,
- due unità β ( beta ) che fungono da morsetto del DNA ,
- due unità τ ( tau ) per la dimerizzazione dell'oloenzima polimerasi III,
- un'unità γ ( gamma ) chiamata caricatore a pinza stessa composta da tre subunità γ appropriate, una subunità δ ( delta ) e una subunità δ '( delta prime) e infine
- un'unità Χ ( Khi ) e un'unità Ψ ( Psi ) formando un complesso 1: 1 che si lega all'unità or o all'unità γ.

Durante la replicazione, il complesso è posto all'apertura della forcella di replicazione a contatto con l' elicasi . Muove le subunità β (chiamate anche morsetti beta ) attorno a ciascun filamento di DNA stampo come una pinzetta per consentire all'oloenzima legato ad esso di scorrere sul filamento stampo. Inoltre, il complesso è legato alle due unità τ stesse legate alle due subunità α degli oloenzimi. Pol III è molto elaborativo.

Pol IV : DNA polimerasi della famiglia Y.

Pol V : DNA polimerasi della famiglia Y.

DNA polimerasi negli eucarioti

Pol α-primase ( alpha ): detto anche RNA pol, sintetizza brevi RNA primeral origine di replicazione sul filamento advanced nonché primer RNA per Okazaki frammenti del filamento in ritardo. Questa polimerasi non ha una funzione di esonucleasi 3 '→ 5' .

Pol β ( beta ): questa polimerasi è coinvolta nei processi di riparazione del DNA. Non ha una funzione di esonucleasi. Corrisponde alla Pol II batterica.

Pol γ ( gamma ): questa famiglia A polimerasi è coinvolta nella replicazione del DNA mitocondriale .

Pol δ ( delta ): è la principale polimerasi coinvolta nella replicazione del DNA negli eucarioti, con DNA Pol , nella sintesi del filamento avanzato e del filamento ritardato. Ha anche un'attività di esonucleasi da 3 a 5' coinvolta nei processi di correzione e riparazione degli errori. La polimerasi è altamente processiva se combinata con PCNA . Questa polimerasi corrisponde alla Pol III batterica.

Pol ε ( epsilon ): ha attività 5 '→ 3' polimerasie 3 '→ 5' attività esonucleasicaed è coinvolto nella replicazione e riparazione del DNA. Legge nella direzione 3 '→ 5' e sintetizza 5 '→ 3' l'area del telomero che non può essere sintetizzata da Pol (un primer preliminare deve essere posizionato dalla primasi sull'estremità allungata 3 'del telomero ). Una ligasi poi fa la sutura tra i due fili.

Pol ζ ( zeta ): polimerasi della famiglia B.

Pol η ( eta ): polimerasi della famiglia Y.

Pol θ ( theta ): una polimerasi della famiglia Una recente pubblicazione indica che se non produce un'eccellente trascrittasi, è in grado di eseguire la trascrittasi inversa.

Pol ι ( iota ): polimerasi della famiglia Y.

Pol κ ( kappa ): polimerasi della famiglia Y.

Rev1 : polimerasi della famiglia Y.

DNA polimerasi in archaea

Polimerasi B : tutte le DNA polimerasi di tipo B identificate nell'archaea mostrano un'attività 5 '→ 3' polimerasi e 3 '→ 5' attività esonucleasica . Sono costituiti da un'unica sottounità.

Polimerasi D : Queste DNA polimerasi trovate in Euryarchaeota sono costituite da due diverse subunità. La grande subunità DP2 possiede attività catalitica, ma solo in presenza della piccola subunità DP1.

Famiglie della DNA polimerasi

In base alla sequenza proteica e all'omologia strutturale, le polimerasi possono essere suddivise in diverse famiglie: A, B, C, D, X, Y e RT.

Famiglia A

Le polimerasi della famiglia A contengono polimerasi replicative e riparano polimerasi. Le polimerasi replicative di questa famiglia comprendono in particolare il batteriofago T7 polimerasi e la gamma DNA polimerasi degli eucarioti. Tra le DNA polimerasi riparatrici si possono trovare DNA polimerasi I da E. coli , Thermus aquaticus e Bacillus stearothermophilus . Queste polimerasi di riparazione sono coinvolte nei processi di riparazione escissionale di base e nella sintesi dei frammenti di Okazaki del filamento ritardato durante la replicazione.

Famiglia B

Questa famiglia essenzialmente raggruppa le DNA polimerasi replicative e include le DNA polimerasi Pol α , Pol e Pol ε DNA degli eucarioti . Una DNA polimerasi della famiglia B è stata identificata in tutte le specie di archaea esaminate. La famiglia B contiene anche DNA polimerasi da batteri e batteriofagi , i più caratterizzati dei quali sono dai fagi T4 e RB69. Questi enzimi sono coinvolti nella sintesi del filamento principale e del filamento ritardato.

Famiglia C

Le DNA polimerasi di questa famiglia sono state isolate dai batteri. Hanno anche attività esonucleasica 5 '→ 3' .

Famiglia D

Le DNA polimerasi della famiglia D rimangono scarsamente caratterizzate e sono state trovate solo tra gli Euryarchaeota , un ramo ( phylum ) del regno di Archaea .

Famiglia X

La famiglia X comprende la DNA polimerasi β ben caratterizzata negli eucarioti e in altre DNA polimerasi come Pol , Pol e Pol μ . La DNA polimerasi è necessaria per elaborare la riparazione del DNA chiamata BER ( riparazione per escissione di base ). I Pol λ e μ Pol coinvolti nel processo di riparazione del DNA che comporta rotture del doppio filamento.

Famiglia Sì

Le polimerasi della famiglia Y sono caratterizzate dalla loro capacità di tollerare il danno al DNA durante la replicazione. Si chiamano translésion della polimerasi (TLS translesion sythesis polimerasi ). Non hanno una funzione di esonucleasi 3 '→ 5' . La loro fedeltà durante la sintesi del DNA è bassa, anche in assenza di DNA danneggiato.

famiglia RT

La famiglia della trascrittasi inversa comprende le DNA polimerasi dei retrovirus e degli eucarioti . Queste polimerasi sono in grado di sintetizzare il DNA da uno stampo di RNA .

La theta polimerasi potrebbe essere in grado di eseguire la trascrittasi inversa.

Bibliografia

Garg, P. e PM Burgers. 2005. DNA polimerasi che propagano la forcella di replicazione del DNA eucariotico. Crit Rev Biochem Mol Biol 40: 115-28.
Hubscher, U., G. Maga e S. Spadari. 2002. DNA polimerasi eucariotiche. Annu Rev Biochem 71: 133-63.
Kelman, Z. 2000. Replicazione del DNA nel terzo dominio (della vita). Scienza attuale delle proteine e dei peptidi 1: 139-154.
Johnson, A. e M. O'Donnell. 2005. Le repliche cellulari del DNA: componenti e dinamica alla forcella di replicazione. Annu Rev Biochem 74: 283-315.
Nohmi, T. 2006. Polimerasi del DNA da stress ambientale e bypass delle lesioni. Annu Rev Microbiol.

Vedi anche

Note e riferimenti

(en) Gurushankar Chandramouly , Jiemin Zhao , Shane McDevitt e Timur Rusanov , “ Polθ reverse trascrive l'RNA e promuove la riparazione del DNA su modello di RNA ” , Science Advances , vol. 7, n . 24,1 ° giugno 2021, eabf1771 ( ISSN 2375-2548 , PMID 34117057 , DOI 10.1126 / sciadv.abf1771 , lettura online , accesso 5 luglio 2021 )