DNA聚合酶

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DNA聚合酶(DNA ploymerase),全称为依赖于DNA的DNA聚合酶(DNA-dependent DNA polymerase,DNAP)或DNA依赖的DNA聚合酶(DNA-directed DNA polymerase)。此酶催化的反应需要引物、模板,合成方向为5’→3’,也需要Mg2+的参与。

分类

家族分类

可根据同源性分为7类

类型 例子 注文
A 噬菌体:T7噬菌体DNA聚合酶
真核生物:DNA聚合酶γ
细菌:DNA聚合酶I
-
B 真核生物:DNA聚合酶α、DNA聚合酶δ、DNA聚合酶ε
噬菌体:T4噬菌体DNA聚合酶、Φ29噬菌体DNA聚合酶
存在于细菌、古菌和真核中
C 细菌:DNA聚合酶III 只存在于细菌中
D - 只存在于古菌中,参与DNA复制与修复
X 真核生物:DNA聚合酶β、DNA聚合酶λ、DNA聚合酶μ -
Y 真核生物:DNA聚合酶η、DNA聚合酶ι、DNA聚合酶κ、DNA聚合酶Rev1
细菌:DNA聚合酶IV、DNA聚合酶V
-
RT 反转录病毒:反转录酶
真核生物:端粒酶
专指逆转录酶

性质比较

家族 例子 基因 分子量(kDa) 3'-外切酶活性 注文
E.coli 酵母
A DNA聚合酶I pol A - - 103 + 5'-外切酶活性
DNA聚合酶γ - MIP1 POLG 140 + dRP裂解酶活性
DNA聚合酶θ - - POLQ 290 - ATPase、解旋酶活性
DNA聚合酶υ - - POLN 100 -
B DNA聚合酶II pol B - - 89 +
DNA聚合酶α - POL1(CDC17) POLA 165 - 引物酶活性
DNA聚合酶β - POL3(CDC3) POLD1 125 +
DNA聚合酶ε - POL2 POLE 225 +
DNA聚合酶ζ - REV3 POLZ (REV3) 353 -
C DNA聚合酶III dna E - - 130 分离的亚基具有活性 见下文
X DNA聚合酶β - - POLB 39 - dRP裂解酶、AP裂解酶活性
DNA聚合酶λ - POL4(POLX) POLL 66 - dRP裂解酶、末端脱氧核苷酸转移酶活性
DNA聚合酶μ - - POLM 55 - 末端脱氧核苷酸转移酶
末端脱氧核苷酸转移酶 - - TdT 56 -
DNA聚合酶σ - TRF4 POLS(TRF4-1) 60 -
Y DNA聚合酶IV - - 40 -
DNA聚合酶V - - 46 -
DNA聚合酶η - RAD30 POLH(RAD30A, XPV) 78 -
DNA聚合酶ι - - POLI(RAD30B) 80 - dRP裂解酶活性
DNA聚合酶κ - - POLK(DINB) 76 -
DNA聚合酶Rev1 - REV1 REV1 138 -

[1]

细菌DNA聚合酶

现发现5种:I、II、III、IV、V

比较

性质 DNA聚合酶I DNA聚合酶II DNA聚合酶III DNA聚合酶IV DNA聚合酶V
结构基因 polA polBdinA polCdnaE)(编码α亚基) din B umu C
相对分子质量/103 103 90 130 - -
分子数/细胞 400 100 10 - -
Vmax(参入的nt·s-1 16-20 2-5 250-1000 - -
3'-外切酶活性 × ×
5'-外切酶活性 × × × ×
进行性/nt 3-200 10000 500000 - -
突变体表现型 UV敏感、硫酸二甲酯敏感 - DNA复制温度敏感型 - -
生物功能 DNA修复、RNA引物切除 DNA修复 染色体DNA复制 属易错DNA聚合酶,参与DNA修复合成、SOS修复中的跨损伤合成

DNA聚合酶I

   DNA聚合酶I于1957年首次分离,又称Kornberg酶,具有5'→3'聚合酶活性(换上正确之碱基)、5'外切酶活性(切除5'端引物)、3'外切酶活性(自我校对用)。此酶可被枯草杆菌蛋白酶和胰蛋白酶分为2部分:大片段-Klenow片段或称Klenow酶小结构域-3'外切酶活性,大结构域-5'→3'聚合酶活性;小片段-5'外切酶活性。Klenow酶的外形似右手,L-P螺旋(手指)和H-I螺(拇指)旋间有与单链DNA模板结合之位点,宽2.2nm,长3nm,适合结合B-DNA,外切酶活性位于“掌心”处。此酶用于切除3'端复制错配的碱基,并重新合成正确之配对。

DNA聚合酶II

   DNA聚合酶II有5'→3'聚合酶活性和3'外切酶活性,无5'外切酶活性。参与DNA损伤修复。

DNA聚合酶III

   DNA聚合酶III有5'→3'聚合酶活性和3'外切酶活性,分属于不同亚基,无5'外切酶活性。    
聚合酶III
亚基 功能
polIII' 核心酶 α 5'→3'聚合酶活性
ε 3'-外切酶活性
θ α和ε的装配
τ 将全酶装配到DNA
β 滑动钳(进行性因子)
γ 钳载复合物,有ATP酶活性,帮助装载
δ 钳载复合物与β亚基结合,打开钳子
δ' 钳载复合物,安装钳子
χ 钳载复合物,与SSB相互作用
ψ 钳载复合物,与γ和χ互作
   此酶的Vmax更接近体内的实际值,酶量适中,高度进行性。该酶对温度比较敏感。全酶由3部分构成,核心酶(可催化DNA复制)、滑动钳(松散夹住DNA模板,自由地向前滑动,外径8nm,内径3.5nm)、钳载复合物(可耗ATP打开钳子)。

DNA聚合酶IV

   合成任性,不按照碱基互补配对规律,为易错DNA聚合酶,参与DNA修复合成,尤其是SOS修复过程中的跨损伤合成。

DNA聚合酶V

   合成任性,不按照碱基互补配对规律,为易错DNA聚合酶,参与DNA修复合成,尤其是SOS修复过程中的跨损伤合成。

真核DNA聚合酶

比较

性质 DNA聚合酶α(I) DNA聚合酶β(IV) DNA聚合酶γ(M) DNA聚合酶δ(III) DNA聚合酶ε(II)
亚细胞定位 细胞核 细胞核 线粒体基质 细胞核 细胞核
引发酶(引物合成酶)活性
亚基数目 4 1 4 2 ≥4
内在进行性 中等
内在进行性 中等
3'-外切酶活性 × ×
5'-外切酶活性 × × × × ×
抑制剂 蚜肠霉素 ddTTP ddTTP 蚜肠霉素 蚜肠霉素
生物功能 引物合成 修复 线粒体DNA复制和修复 核DNA复制和修复 核DNA复制和修复
注:括号内罗马数字和字母为酵母中的DNA聚合酶

分类

   有15种真核DNA聚合酶,例如DNA聚合酶α、β、γ、δ、ε、θ、ζ、η、κ、ι、μ、λ、ψ、ξ等。前五种为较早发现的DNA聚合酶,后几种中除θ外都是随意的DNA聚合酶,无校对活性(类似DNA聚合酶IV、V),主要参与DNA修复过程中的跨损伤合成。

参与核基因组DNA复制的聚合酶

   DNA聚合酶α:有引发酶活性,首先与复制起始区结合,先形成短的RNA引物,再合成20-30nt的DNA片段
   DNA聚合酶δ:当DNA聚合酶α合成20-30nt的DNA片段之后,取代DNA聚合酶α作用,仅参与后随链之复制。
   DNA聚合酶ε:当DNA聚合酶α合成20-30nt的DNA片段之后,取代DNA聚合酶α作用,参与前导链的复制和DNA损伤的修复

3'-外切酶活性

   DNA聚合酶α:无3'-外切酶活性,但DNA复制时复制蛋白A(replication protein A,RPA)会与之互作,稳定与引物末端的结合,消除其无忠实性的不利影响
   DNA聚合酶δ与ε:有3'-外切酶活性,有校对能力

分裂细胞抗原(PCNA)

   分裂细胞抗原(proliferating cell nuclear antigen,PCNA)为DNA聚合酶δ的辅助蛋白,功能相当于DNA聚合酶III的β亚基,在复制因子C(replication factor A,RFC)协助下,3个PCNA形成滑动钳,使DNA聚合酶δ之进行性大幅提升,PCNA还可协助DNA聚合酶ε与DNA模板结合,招募染色体重塑和DNA损伤修复的相关蛋白。

古菌DNA聚合酶

   古菌有两类DNA聚合酶

古菌的B类DNA聚合酶

   和真核生物的DNA聚合酶δ和ε类似,含3个PCNA亚基构成的滑动钳结构,但是是异源三聚体,内含更多的带电荷氨基酸残基,从而在极端环境下稳定其结构。

古菌的D类DNA聚合酶

   一般只存在于广古菌(Euryarchaeota)中,如极端嗜热菌(Pyrococcus furiosus)的Pfu DNA聚合酶(用以代替缺乏3'-外切酶活性的Taq DNA聚合酶用于高保真PCR)

[2][3]

  1. Katarzyna Bebenek,Thomas A.Kunkel(2004)Advances in Protein Chemistry Volume 69, 2004, Page 138
  2. 朱圣庚,徐长法.2016.生物化学(下册).4版.北京:高等教育出版社
  3. 杨荣武.2018.生物化学原理.3版.北京:高等教育出版社