DNA polümeraasid on molekulaarbioloogias ensüümid, mis sünteesivad desoksüribonukleotiididest DNA molekule. Need ensüümid on DNA replikatsiooniks hädavajalikud ja töötavad tavaliselt paaris, et moodustada ühest esialgsest DNA molekulist kaks identset DNA ahelat. Selle protsessi käigus loeb DNA polümeraas olemasolevaid DNA ahelaid, et moodustada kaks uut ahelat, mis sobituvad esialgsega. DNA polümeraas liidab nukleotiide DNA 3’ otsa ühe nukleotiidi kaupa.
Iga kord, kui rakk jaguneb, aitab DNA polümeraas raku DNA-d duplitseerida, et esialgse DNA molekuli koopia kanduks edasi tütarrakule. Sel viisil saab geneetilist infot põlvest põlve edasi anda. Enne kui replikatsioon saab toimuda, harutab ensüüm nimega helikaas DNA molekuli biheeliksi lahti, lõhkudes lämmastikaluste vahel olevad vesiniksidemed. Selle protsessi käigus hargneb DNA kaheks üksikahelaks, mida saab replikatsioonil kasutada matriitsahelana.
Funktsioon
DNA polümeraasi peamiseks funktsiooniks on sünteesida desoksüribonukleotiididest DNA. Sünteesitavasse DNA ahelasse lülituvad nukleotiidid, mille lämmastikalused on komplementaarsed matriitsahela nukleotiidide lämmastikalustega. Paardumine toimub alati kindla korra järgi, kus tsütosiin paardub guaniiniga ja tümiin adeniiniga.
Uue DNA molekuli sünteesimisel lisab DNA polümeraas vabu nukleotiide ainult valmiva ahela 3’ otsa. Selle tulemusena pikeneb uus ahel 5’-3’ suunal. DNA polümeraas ei suuda ise uut ahelat de novo sünteesida, ta suudab lisada nukleotiide ainult olemasoleva 3'-OH grupi külge ning seega vajab töö alustamiseks praimerit, millele saab lisada esimese nukleotiidi. DNA replikatsioonil on kaks esimest alust alati RNA alused ja need sünteesib ensüüm primaas. Helikaasi ja topoisomeraas II on vaja DNA lahtikeeramiseks üheahelaliseks DNA-ks hõlbustamaks semikonservatiivset DNA replikatsiooni.
DNA polümeraas liigub moodustuval ahelal vastupidi matriitsahelal liikumise suunaga. Juhtival ahelal liigub DNA polümeraas 3’-5’ suunal ja mahajääv ahel moodustatakse 5’-3’ suunal. See erinevus võimaldab saada kaheahelalise DNA molekuli, mille kaks ahelat on omavahel antiparalleelsed.
DNA polümeraas teeb umbes ühe vea iga miljardi aluspaari kohta. Osad DNA polümeraasid suudavad neid vigu parandada, kuid mitte kõik. Selle protsessi käigus parandatakse viga juurdesünteesitud DNA ahelas. Vale aluspaari äratundmise puhul liigub DNA polümeraas ühe aluspaari võrra DNA-l tagasi. Ensüümi 3’-5’ eksonukleaasne aktiivsus lubab vale aluspaari välja lõigata – seda tuntakse ka proofreading'u nime all. Pärast seda sisestab polümeraas õige aluspaari ja replikatsioon jätkub. Sellega tagatakse, et info esialgselt DNA ahelalt jõuab samal kujul tütarrakkudesse.
DNA replikatsioonis on täpsus väga oluline. Lämmastikaluste valepaardumised võivad aluse anda mittefunktsionaalsetele valkudele, mis omakorda võivad viia vähi tekkeni. Mitmed DNA polümeraasid omavad eksonukleaaset domääni, mis tuvastab valestipaardumised ning asendab vale nukleotiidi õigega.
Struktuur
Teadaolevatel DNA polümeraasidel on kõrgelt konserveerunud struktuur, mis tähendab, et nende katalüüsivad subühikud varieeruvad liikide vahel väga vähe. Konserveerunud struktuurid viitavad tavaliselt tähtsatele ja asendamatutele rakufunktsioonidele, mis tagavad evolutsioonilised eelised. Polümeraasi kuju sarnaneb parema käega, koosnedes pöidla, sõrme ja peopesa domeenidest. Peopesa domeen on aktiivtsenter, mille funktsiooniks on katalüüsida fosfaatrühma ülekannet. DNA on seotud peopesa domeeniga, kui ensüüm on aktiivne. Seda reaktsiooni katalüüsivad kahevalentsed metalliioonid. Sõrme domeeni funktsiooniks on siduda nukleosiidtrifosfaadid esialgse lämmastikaluse külge. Pöidla domeen mängib rolli protsessiivsusel, translokatsioonil ja DNA positsioneerimises.
Liikidevaheline varieeruvus
Arvestades järjestuste homoloogiat, saab DNA polümeraasid jaotada seitsmesse perekonda: A, B, C, D, X, Y ja RT.
Osad viirused kodeerivad DNA polümeraase, nagu B-hepatiidi viiruse DNA polümeraas. See võib valikuliselt erinevate mehhanismidega replitseerida viiruse DNA-d. Retroviirused kodeerivad ebatavalist DNA polümeraasi, mida nimetatakse pöördtranskriptaasiks. See on RNA-st sõltuv DNA polümeraas (RdDp) ning polümeriseerib RNA ahelalt DNA.
| Perekond | DNA polümeraasi tüüp | Esinemine | Näide |
|---|---|---|---|
| A | Replikatiivsed ja reparatsioonipolümeraasid | Eukarüootides ja prokarüootides | Pol I |
| B | Replikatiivsed ja reparatsioonipolümeraasid | Eukarüootides ja prokarüootides | Pol II |
| C | Replikatiivsed polümeraasid | Prokarüootides | Pol III |
| D | Replikatiivsed polümeraasid | Eubakterites | Pole piisavalt hästi kirjeldatud |
| X | Replikatiivsed ja reparatsioonipolümeraasid | Eukarüootides | Pol β |
| Y | Replikatiivsed ja reparatsioonipolümeraasid | Eukarüootides ja prokarüootides | Pol IV, Pol V |
| RT | Replikatiivsed ja reparatsioonipolümeraasid | Viirustes, retroviirustes ja eukarüootides | Telomeraas, B-hepatiidi viirus |
Polümeraasid prokarüootides
Prokarüootidel on ainul üks RNA polümeraas, mis eksisteerib kahe vormina: polümeraasi südamik ja holoensüüm. Südamik sünteesib DNA matriitsilt uue ahela, kuid ei ole ise võimeline sünteesi initsieerima. Viimast teevad just holoensüümid.
Pol I
Prokarüootide A polümeraaside hulka kuulub DNA polümeraas I (Pol I) ensüüm, mida kodeerib polA geen ja mis on prokarüootide seas üldlevinud. See parandusomadustega polümeraas osaleb parandamisel nii 3’-5’ kui ka 5’-3’ suunal eksonukleasse aktiivsusega ja Okazaki fragmentide protsessimisel maha jääva ahela sünteesil. Pol I on kõige kõrgema aktiivsusega, võttes näiteks bakteris E. coli enda alla > 95% polümerassest aktiivsusest. Rakud, millel puudub Pol I, suudavad Pol I aktiivsuse asendada mõne teisega nelja polümeraasi seast. Pol I lisab umbes 15–20 nukleotiidi sekundis, mis näitab üsna madalat protsessiivust. Pol I alustab nukleotiidide lisamist seega RNA praimerist – replikatsiooni alguspunktist, mida nimetatakse ori piirkonnaks. Sellest umbes 400 aluspaari eespool assembleeritakse holoensüüm Pol III, mis võtab replikatsiooni suure protsessiva kiirusega üle.
Pol II
DNA polümeraas II on B polümeraas, mida kodeerib geen polB, mida tuntakse ka DinA nime all. Pol II on ensüüm, millel on 3’-5’ eksonukleaasne aktiivsus ja mis osaleb DNA reparatsioonis. Arvatakse, et Pol II toetab Pol III, interakteerudes holoensüümi valkudega ja võtab suure osa protsessiivsusest enda peale. Pol II peamiseks funktsiooniks on võime suunata polümeraasi aktiivsust replikatsioonikahvlis ja aidata seiskunud Pol III üle valestipaardumistest.
Pol III
DNA polümeraas III holoensüüm on peamine ensüüm, mis osaleb E. coli-s DNA replikatsioonil ja kuulub C polümeraaside alla. See koosneb kolmest osast: Pol III südamik, beeta libisemisklamber ja klambri laadimise kompleks. Südamik koosneb kolmest osast: alfa – polümeraasse aktiivsusega südamik, epsilon – eksonukleaasne proofreader ja delta, mis võib käituda epsiloni jaoks stabilisaatorina. Holoensüüm koosneb kahest südamikust – üks juhtiva ja teine mahajääva ahela jaoks.
Pol IV
DNA polümeraas IV teeb E. coli's palju vigu ja on seotud mittespetsiifilise mutageneesiga. Pol IV kuulub Y polümeraaside alla, mida ekspresseerib dinB geen. See lülitakse sisse SOS-induktsioonis, mida põhjustab replikatsioonikahvlis seisma jäänud polümeraas. Selle protsessi käigus suureneb polümeraas IV tootmine kümme korda. Lisaks on üheks funktsiooniks segada Pol III ensüümi protsessiivsust. See loob kontrollpunkti, peatades replikatsiooni ja võimaldades parandada DNA kahjustused. Rakkudel, millel puudub dinB geen, esineb DNA-d kahjustavate ainete tõttu rohkem mutatsioone.
Pol V
DNA polümeraas V on Y-perekonna DNA polümeraas, mis osaleb SOS vastuses ja kahjustatud DNA parandamises. Pol V transkribeeritakse umuDC geenidelt ning ensüümi sünteesitakse ainult siis, kui kahjustatud DNA kutsub rakus esile SOS vastuse.
