ДНК-праймаза: структура, функции и роль в репликации ДНК
Primase
ДНК-праймаза: фермент для репликации ДНК, тип РНК-полимеразы. Синтезирует короткий праймер, необходимый для ДНК-полимеразы. Важна для бактерий и эукариот.
Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
Класс ферментов
Class of enzymes
ДНК-примаза — это фермент, участвующий в репликации ДНК и являющийся типом РНК-полимеразы. Примаза катализирует синтез короткого сегмента РНК (или ДНК у некоторых живых организмов), называемого праймером, комплементарного одноцепочечному ДНК-шаблону (ssDNA). После этого удлинения РНК-фрагмент удаляется 5'-3' экзонуклеазой и замещается ДНК.
DNA primase is an enzyme involved in the replication of DNA and is a type of RNA polymerase. Primase catalyzes the synthesis of a short RNA (or DNA in some
living organisms) segment called a primer complementary to a ssDNA (single stranded DNA) template. After this elongation, the RNA piece is removed by a 5' to 3' exonuclease and refilled with DNA.
Функция
Примаза в бактериях связывается с ДНК-геликазой, формируя комплекс, называемый примосомой. Геликаза активирует примазу, после чего она синтезирует короткий РНК-праймер длиной примерно 11 ± 1 нуклеотидов, к которому ДНК-полимераза может присоединять новые нуклеотиды. Примазы архей и эукариот – гетеродимерные белки, состоящие из одной крупной регуляторной и одной очень маленькой каталитической субъединицы. Сегменты РНК сначала синтезируются примазой, а затем удлиняются ДНК-полимеразой. После этого ДНК-полимераза образует белковый комплекс с двумя субъединицами примазы, формируя комплекс альфа-ДНК-полимеразы-примазы. Примаза – одна из самых подверженных ошибкам и медленных полимераз. Примаза также выполняет функцию механизма остановки, предотвращающего опережение ведущей цепи отстающей цепью, задерживая продвижение репликационной вилки. Лимитирующей стадией в работе примазы является образование первой фосфодиэфирной связи между двумя молекулами РНК. Комплекс примазы и геликазы используется для раскручивания двухцепочечной ДНК (дсДНК) и синтеза отстающей цепи с использованием РНК-праймеров. Несмотря на функциональное сходство, две суперсемьи примаз эволюционировали независимо друг от друга.
In bacteria, primase binds to the DNA helicase forming a complex called the primosome. Primase is activated by the helicase where it then synthesizes a short RNA primer approximately 11 ±1 nucleotides long, to which new nucleotides can be added by DNA polymerase. Archaeal and eukaryote primases are heterodimeric proteins with one large regulatory and one minuscule catalytic subunit. The RNA segments are first synthesized by primase and then elongated by DNA polymerase. Then the DNA polymerase forms a protein complex with two primase subunits to form the alpha DNA Polymerase primase complex. Primase is one of the most error prone and slow polymerases. Primase also acts as a halting mechanism to prevent the leading strand from outpacing the lagging strand by halting the progression of the replication fork. The rate determining step in primase is when the first phosphodiester bond is formed between two molecules of RNA. The primase helicase complex is used to unwind dsDNA (double stranded) and synthesizes the lagging strand using RNA primers While functionally similar, the two primase superfamilies evolved independently of each other.
ДНАГ
Кристаллическая структура примазы в E. coli с ядром, содержащим белок DnaG, была определена в 2000 году. ToPrim-складка используется для связывания регуляторов и металлов. Примаза использует фосфотрансферный домен для координации передачи фосфатных групп и металлов, что отличает ее от других полимераз.
The crystal structure of primase in E. coli with a core containing the DnaG protein was determined in the year 2000. The toprim fold is used for binding regulators and metals. The primase uses a phosphotransfer domain for the transfer coordination of metals, which makes it distinct from other polymerases.
АЭП
Примазы эукариот и архей, в отношении структуры и механизма действия, как правило, более схожи между собой, чем с бактериальными примазами. Археальные и эукариотические примазы представляют собой гетеродимерные белки, состоящие из одной большой регуляторной (PRIM2, p58) и одной малой каталитической субъединицы (PRIM1, p48/p49), и, возможно, участвуют в перезапуске остановившихся вилок репликации. Примазы обычно синтезируют праймеры из рибонуклеотидов (НТФ), однако примазы, обладающие полимеразной активностью, также проявляют сродство к дезоксирибонуклеотидам (дНТФ). Примазы с терминальной трансферазной функциональностью способны добавлять нуклеотиды к 3'-концу цепи ДНК независимо от наличия матрицы. Другие ферменты, участвующие в репликации ДНК, такие как геликазы, также могут проявлять примазную активность.
Eukaryote and archaeal primases tend to be more similar to each other, in terms of structure and mechanism, than they are to bacterial primases. Archaeal and eukaryote primases are heterodimeric proteins with one large regulatory (human PRIM2, p58) and one small catalytic subunit (human PRIM1, p48/p49). and possibly in restarting stalled replication forks. Primases typically synthesize primers from ribonucleotides (NTPs); however, primases with polymerase capabilities also have an affinity for deoxyribonucleotides (dNTPs). Primases with terminal transferase functionality are capable of adding nucleotides to the 3’ end of a DNA strand independently of a template. Other enzymes involved in DNA replication, such as helicases, may also exhibit primase activity.
У эукариотов и архей
Человеческий PrimPol (ccdc111) участвует в перезапуске остановившихся репликационных вилок. PrimPol активно рекрутируется к поврежденным участкам ДНК посредством взаимодействия с RPA – адаптерным белком, облегчающим репликацию и репарацию ДНК. PriS в одиночку преимущественно синтезирует цепи ДНК, но в комбинации с PriL, крупной субъединицей, активность РНК-полимеразы повышается. У *Sulfolobus solfataricus* примазный гетеродимер PriSL может функционировать как примаза, полимераза и терминальная трансфераза. Предполагается, что PriSL инициирует синтез праймера с использованием NTP, а затем переключается на dNTP. Фермент способен полимеризовать цепи РНК или ДНК, при этом продукты ДНК могут достигать длины 7000 нуклеотидов (7 кб). Считается, что такая двойная функциональность может быть характерной особенностью археальных примаз.
Human PrimPol (ccdc111 and in restarting stalled replication forks. PrimPol is actively recruited to damaged sites through its interaction with RPA, an adapter protein that facilitates DNA replication and repair. PriS alone preferentially synthesizes strings of DNA; but in combination with PriL, the large subunit, RNA polymerase activity is increased. In Sulfolobus solfataricus, the primase heterodimer PriSL can act as a primase, polymerase, and terminal transferase. PriSL is thought to initiate primer synthesis with NTPs and then switch to dNTPs. The enzyme can polymerize RNA or DNA chains, with DNA products reaching as long as 7000 nucleotides (7 kb). It is suggested that this dual functionality may be a common feature of archaeal primases.
В вирусах и плазмидах
Энзимы AEP широко распространены и могут быть обнаружены в мобильных генетических элементах, включая вирусы/фаги и плазмиды. Они могут использоваться как единственный белок для репликации или в сочетании с другими белками, связанными с репликацией, такими как геликазы и, реже, ДНК-полимеразы. В то время как наличие AEP в эукариотических и археальных вирусах ожидаемо, поскольку оно отражает особенности их хозяев, сравнительные геномные исследования выявили большое разнообразие семейств AEP в различных бактериальных плазмидах. Вакциниальный вирус D5 и HSV-примаза также являются примерами белков, представляющих собой слияние AEP-геликазы. PolpTN2 – это археальная примаза, обнаруженная в плазмиде TN2. Это слияние доменов, гомологичных PriS и PriL, проявляющее активность как примазы, так и ДНК-полимеразы, а также функцию терминальной трансферазы. В отличие от большинства примаз, PolpTN2 формирует праймеры, состоящие исключительно из dNTP. Неожиданно, при усечении PriL-подобного домена, PolpTN2 также приобретала способность синтезировать ДНК на РНК-матрице, то есть функционировала как РНК-зависимая ДНК-полимераза (обратная транскриптаза). Даже DnaG-примазы могут обладать дополнительными функциями при наличии соответствующих доменов. Фаговый белок T7 gp4 представляет собой слияние DnaG-примазы и геликазы и выполняет обе эти функции в процессе репликации.
AEP enzymes are widespread, and can be found encoded in mobile genetic elements including virus/phages and plasmids. They either use them as a sole replication protein or in combination with other replication associated proteins, such as helicases and, less frequently, DNA polymerases. Whereas the presence of AEP in eukaryotic and archaeal viruses is expected in that they mirror their hosts, A great diversity of AEP families has been uncovered in various bacterial plasmids by comparative genomics surveys. Vaccinia virus D5 and HSV Primase are examples of AEP helicase fusion as well. PolpTN2 is an Archaeal primase found in the TN2 plasmid. A fusion of domains homologous to PriS and PriL, it exhibits both primase and DNA polymerase activity, as well as terminal transferase function. Unlike most primases, PolpTN2 forms primers composed exclusively of dNTPs. Unexpectedly, when the PriL like domain was truncated, PolpTN2 could also synthesize DNA on the RNA template, i. e., acted as an RNA dependent DNA polymerase (reverse transcriptase). Even DnaG primases can have extra functions, if given the right domains. The T7 phage gp4 is a DnaG primase helicase fusion, and performs both functions in replication.