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.

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.

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.

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.

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.