Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
ДНК полимераза I (немесе Pol I) – прокариоттық ДНК көшірілу процесіне қатысатын фермент. Артур Корнберг 1956 жылы ашқан бұл фермент, алғашқы танымал ДНК полимераза (және кез келген полимеразаның алғашқы түрі) болды. Ол бастапқыда E. coli бактериясында сипатталған және прокариоттарда кең таралған. E. coli және көптеген басқа бактерияларда Pol I-ді кодтайтын ген polA деп аталады. E. coli Pol I ферменті 928 аминқышқылынан тұрады және процессивті ферменттердің мысалы болып табылады – ол жеке тізбектің үлгісін жіктеп тастамай, бірден бірнеше полимерлендіру қадамдарын катализдеуге қабілетті. Pol I-нің физиологиялық функциясы негізінен зақымдалған ДНК-ны жөндеуге көмектесу, сондай-ақ РНК праймерлерін жою және рибонуклеотидтерді ДНК-мен алмастыру арқылы Оказаки фрагменттерін қосуға қатысу болып табылады.
Family of enzymes
DNA polymerase I (or Pol I) is an enzyme that participates in the process of prokaryotic DNA replication. Discovered by Arthur Kornberg in 1956, it was the first known DNA polymerase (and the first known of any kind of polymerase). It was initially characterized in E. coli and is ubiquitous in prokaryotes. In E. coli and many other bacteria, the gene that encodes Pol I is known as polA. The E. coli Pol I enzyme is composed of 928 amino acids, and is an example of a processive enzyme — it can sequentially catalyze multiple polymerisation steps without releasing the single stranded template. The physiological function of Pol I is mainly to support repair of damaged DNA, but it also contributes to connecting Okazaki fragments by deleting RNA primers and replacing the ribonucleotides with DNA.
Ашылу
1956 жылы Артур Корнберг және әріптестері Escherichia coli (E. coli) экстракттарын пайдаланып ДНК синтезіне қатысты зерттеу әдісін жасау арқылы Pol I-ді ашты. Ғалымдар 14C белгіленген тимидин қосып, РНК емес, ДНК-ның радиоактивті полимерін бөліп алды. ДНК полимеразаны тазартуды бастау үшін зерттеушілер E. coli экстрактына стрептомицин сульфатын қосты, бұл экстрактты нуклеин қышқылынан таза супернатант (S фракциясы) және нуклеин қышқылы бар тұнба (P фракциясы) болып бөліп алды. P фракциясы ДНК синтезі реакциялары үшін қажетті Pol I және жылуға төзімді факторларды да қамтыды. Бұл факторлар нуклеозид трифосфаттары, яғни нуклеин қышқылдарының құрылыс блоктары екені анықталды. S фракциясында бірнеше дезоксинуклеозид киназалары болды. 1959 жылы физиология немесе медицина саласындағы Нобель сыйлығы "рибонуклеин қышқылы мен дезоксирибонуклеин қышқылының биологиялық синтезіне қатысқан механизмдерді ашқандары үшін" Артур Корнберг пен Северо Очоаға табысталды.
In 1956, Arthur Kornberg and colleagues discovered Pol I by using Escherichia coli (E. coli) extracts to develop a DNA synthesis assay. The scientists added 14C labeled thymidine so that a radioactive polymer of DNA, not RNA, could be retrieved. To initiate the purification of DNA polymerase, the researchers added streptomycin sulfate to the E. coli extract. This separated the extract into a nucleic acid free supernatant (S fraction) and nucleic acid containing precipitate (P fraction). The P fraction also contained Pol I and heat stable factors essential for the DNA synthesis reactions. These factors were identified as nucleoside triphosphates, the building blocks of nucleic acids. The S fraction contained multiple deoxynucleoside kinases. In 1959, the Nobel Prize in Physiology or Medicine was awarded to Arthur Kornberg and Severo Ochoa "for their discovery of the mechanisms involved in the biological synthesis of Ribonucleic acid and Deoxyribonucleic Acid."
Жалпы құрылым
Поли I негізінен зақымдалған ДНК-ны жөндеуге қатысады. Құрылымы жағынан Pol I альфа/бета белоктар суперотбасының мүшесі болып табылады, ол α спиральдері мен β-тізбектерінің ретсіз тізбекте пайда болатын белоктарды қамтиды. E. coli ДНК Pol I үш түрлі ферменттік белсенділігі бар бірнеше домендерден тұрады. Үш домен, көбінесе саусақ, бас бармақ және алақан домендері деп аталады, ДНК полимераза белсенділігін сақтау үшін бірлесіп жұмыс істейді. Алақан доменінің жанындағы төртінші доменде экзонуклеазаның белсенді орны бар, ол 3'-ден 5'-ге дейінгі бағытта қате енген нуклеотидтерді «коррекция» деп аталатын процесте алып тастайды. Бесінші доменде ДНК немесе РНК-ны 5'-ден 3'-ге дейінгі бағытта алып тастайтын тағы бір экзонуклеаза белсенді орны бар және ДНК репликациясы немесе ДНК жөндеу процестері кезінде РНК праймерін алып тастау үшін маңызды. E. coli бактериясы 5 түрлі ДНК полимеразасын өндіреді: ДНК Pol I, ДНК Pol II, ДНК Pol III, ДНК Pol IV және ДНК Pol V. ДНК полимеразалары ДНК тізбектерін бастай алмайды, сондықтан оларды қысқа РНК немесе ДНК сегменттері – праймерлер бастауы керек. ДНК полимеразаларының полимеразалық домендерінің рентгендік кристалдық құрылымдары адамның оң қолымен салыстырылады. Барлық ДНК полимеразалары үш доменді қамтиды. Бірінші домен «саусақ домені» деп аталады, ол dNTP және жұптасқан матрицалық базамен өзара әрекеттеседі. «Саусақ домені» сонымен қатар оны белсенді орында дұрыс орналастыру үшін матрицамен өзара әрекеттеседі. «Алақан домені» деп аталатын екінші домен фосфорил тобын ауыстыру реакциясын катализдейді. Соңғы үшінші домен, «бас бармақ домені» деп аталады, екі тізбекті ДНК-мен өзара әрекеттеседі. Экзонуклеаза доменінің өзіндік каталитикалық орны бар және дұрыс жұптаспаған базаларды жояды. Жеті түрлі ДНК полимераза отбасының ішінде «алақан домені» осы отбасылардың бесеуінде сақталған. «Саусақ домені» және «бас бармақ домені» әр түрлі тізбектерден туындаған әр түрлі екінші құрылымдық элементтерге байланысты әр отбасында бірдей болмайды. Pol I негізінен ДНК репликациясына немесе ДНК зақымдануын жөндеуге пайдаланылатынын анықтау үшін E. coli-ның Pol I мутантты штаммымен тәжірибе жүргізілді. Pol I жоқ мутантты штамм оқшауланып, мутагенмен өңделді. Мутантты штамм қалыпты түрде өсетін және Pol I жетіспейтін бактериялық колонияларды дамытты. Бұл Pol I-дің ДНК репликациясы үшін қажет еместігін растады. Алайда, мутантты штамм ультракүлгін сәуле сияқты ДНК-ны зақымдайтын факторларға жоғары сезімталдық сияқты ерекшеліктерді де көрсетті. Осылайша, бұл Pol I-дің ДНК репликациясына қарағанда ДНК зақымдарын жөндеуге көбірек қатысқанын растады.
Pol I mainly functions in the repair of damaged DNA. Structurally, Pol I is a member of the alpha/beta protein superfamily, which encompasses proteins in which α helices and β strands occur in irregular sequences. E. coli DNA Pol I consists of multiple domains with three distinct enzymatic activities. Three domains, often referred to as thumb, finger and palm domain work together to sustain DNA polymerase activity. A fourth domain next to the palm domain contains an exonuclease active site that removes incorrectly incorporated nucleotides in a 3' to 5' direction in a process known as proofreading. A fifth domain contains another exonuclease active site that removes DNA or RNA in a 5' to 3' direction and is essential for RNA primer removal during DNA replication or DNA during DNA repair processes. E. coli bacteria produces 5 different DNA polymerases: DNA Pol I, DNA Pol II, DNA Pol III, DNA Pol IV, and DNA Pol V. DNA polymerases also cannot initiate DNA chains so they must be initiated by short RNA or DNA segments known as primers. The X ray crystal structures of polymerase domains of DNA polymerases are described in analogy to human right hands. All DNA polymerases contain three domains. The first domain, which is known as the "fingers domain", interacts with the dNTP and the paired template base. The "fingers domain" also interacts with the template to position it correctly at the active site. Known as the "palm domain", the second domain catalyses the reaction of the transfer of the phosphoryl group. Lastly, the third domain, which is known as the "thumb domain", interacts with double stranded DNA. The exonuclease domain contains its own catalytic site and removes mispaired bases. Among the seven different DNA polymerase families, the "palm domain" is conserved in five of these families. The "finger domain" and "thumb domain" are not consistent in each family due to varying secondary structure elements from different sequences. In order to determine whether Pol I was primarily used for DNA replication or in the repair of DNA damage, an experiment was conducted with a deficient Pol I mutant strain of E. coli. The mutant strain that lacked Pol I was isolated and treated with a mutagen. The mutant strain developed bacterial colonies that continued to grow normally and that also lacked Pol I. This confirmed that Pol I was not required for DNA replication. However, the mutant strain also displayed characteristics which involved extreme sensitivity to certain factors that damaged DNA, like UV light. Thus, this reaffirmed that Pol I was more likely to be involved in repairing DNA damage rather than DNA replication.
Механизм
Репликация процесінде RNase H примазамен (примаза арқылы) құрылған РНҚ праймерін (алдынғы жіптен) алып тастайды, содан кейін I полимераза Оказаки фрагменттері арасындағы қажетті нуклеотидтерді 5'→3' бағытында толтырады, қателерді түзетумен бірге (ДНҚ репликациясын қараңыз). Бұл шаблонға тәуелді фермент, ол тек шаблон ретінде әрекет ететін ДНҚ тізбегімен дұрыс жұптасқан нуклеотидтерді ғана қосады. ДНҚ лигазасы әртүрлі фрагменттерді ДНҚ-ның үздіксіз тізбегіне біріктіруі үшін осы нуклеотидтердің ДНҚ-ның үлгілік тізбегімен дұрыс бағытта және геометрияда болуы маңызды. Полимераза I-ге қатысты зерттеулер әртүрлі dNTP-лердің полимераза I-дегі бір белсенді орынға байланыса алатынын растады. Полимераза I конформациялық өзгеріске ұшырағаннан кейін ғана әртүрлі dNTP-лерді белсенді түрде ажырата алады. Бұл өзгеріс болғаннан кейін, Pol I байланысқан dNTP және шаблон тізбегіндегі сәйкес келетін негіз арасындағы негіз жұбының дұрыс геометриясы мен дұрыс сәйкестігін тексереді. Белсенді орынға сыятын жалғыз жұп – А=Т және G≡C негіздерінің дұрыс геометриясы. Дегенмен, әр 10⁴ – 10⁵ нуклеотидтің біреуі дұрыс қосылмайтынын білу маңызды. Бірақ Pol I ДНК репликациясындағы бұл қателікті белсенді дискриминацияның таңдамалы әдісін қолдана отырып түзетуге қабілетті. Кейрнстің зертханалық ассистенті Паула Де Люсия E. coli колонияларынан мыңдаған жасушасыз экстракттар жасап, оларды ДНК полимераза белсенділігіне тексерді. 3478-ші клонда polA мутанты табылды, оны Кейрнс «Пауланың» (Де Люсияның) құрметіне атады. ДНК полимераза III-тің ашылуы ғана негізгі репликациялық ДНК полимеразасын анықтауға мүмкіндік берді.
In the replication process, RNase H removes the RNA primer (created by primase) from the lagging strand and then polymerase I fills in the necessary nucleotides between the Okazaki fragments (see DNA replication) in a 5'→3' direction, proofreading for mistakes as it goes. It is a template dependent enzyme—it only adds nucleotides that correctly base pair with an existing DNA strand acting as a template. It is crucial that these nucleotides are in the proper orientation and geometry to base pair with the DNA template strand so that DNA ligase can join the various fragments together into a continuous strand of DNA. Studies of polymerase I have confirmed that different dNTPs can bind to the same active site on polymerase I. Polymerase I is able to actively discriminate between the different dNTPs only after it undergoes a conformational change. Once this change has occurred, Pol I checks for proper geometry and proper alignment of the base pair, formed between bound dNTP and a matching base on the template strand. The correct geometry of A=T and G≡C base pairs are the only ones that can fit in the active site. However, it is important to know that one in every 104 to 105 nucleotides is added incorrectly. Nevertheless, Pol I can fix this error in DNA replication using its selective method of active discrimination. Cairns' lab assistant, Paula De Lucia, created thousands of cell free extracts from E. coli colonies and assayed them for DNA polymerase activity. The 3,478th clone contained the polA mutant, which was named by Cairns to credit "Paula" [De Lucia]. It was not until the discovery of DNA polymerase III that the main replicative DNA polymerase was finally identified.
Ғылыми-зерттеу бағдарламалары
Е. coli бактериясынан алынған ДНК полимераза I молекулалық биология зерттеулерінде кеңінен қолданылады. Дегенмен, 5'→3' экзонуклеаза активтігі оны көптеген қолданыстар үшін қолайсыз етеді. Бұл қажетсіз ферменттік активтілікті холоферменттен жойып, молекулалық биологияда кеңінен қолданылатын Кленов фрагменті деп аталатын пайдалы молекула қалдыруға болады. Шындығында, Кленов фрагменті полимераза тізбектік реакциясының (ПТР) алғашқы протоколдарында 1976 жылы Thermus aquaticus ашылғанға дейін, осы бактериядан алынған жылуға төзімді Taq полимераза I-нің көзі табылғанша қолданылды. ДНК полимераза I-ді протеаза субтилизинге ұшырату молекуланы кішірек фрагментке бөледі, ол ДНК полимераза және түзету активтіліктерін ғана сақтайды.
DNA polymerase I obtained from E. coli is used extensively for molecular biology research. However, the 5'→3' exonuclease activity makes it unsuitable for many applications. This undesirable enzymatic activity can be simply removed from the holoenzyme to leave a useful molecule called the Klenow fragment, widely used in molecular biology. In fact, the Klenow fragment was used during the first protocols of polymerase chain reaction (PCR) amplification until Thermus aquaticus, the source of a heat tolerant Taq Polymerase I, was discovered in 1976. Exposure of DNA polymerase I to the protease subtilisin cleaves the molecule into a smaller fragment, which retains only the DNA polymerase and proofreading activities.