DNA-Polymerase
Englisch: DNA polymerase
Definition
DNA-Polymerasen sind in allen Organismen vorkommende Enzyme, die den Transfer von Deoxyribonukleotiden auf eine freie Hydroxylgruppe am 3'-Terminus der DNA katalysieren. Im engeren Sinne sind damit meist die DNA-abhängigen DNA-Polymerasen gemeint.
Übersicht
Umgangssprachlich sind mit den DNA-Polymerasen meist die replikativen Polymerasen gemeint, also die Polymerasen, welche die Verdopplung der DNA katalysieren. Darüber hinaus existieren jedoch besonders in Eukaryoten zahlreiche spezialisierte Formen, die beispielsweise gegenüber einer beschädigten Matrize trotzdem ein Nukleotid einsetzen können, was den replikativen Polymerasen oft nicht möglich ist.
| Eukaryoten | ||||
| DNA-Polymerase | Familie | Untereinheiten | Gen | Funktion |
|---|---|---|---|---|
| α (alpha) | B | 4 | POLA1, POLA2, PRIM1, PRIM2 | Synthese RNA-Primer |
| β (beta) | X | 1 | POLB | Basenexzisionsreparatur |
| γ (gamma) | A | 3 | POLG, POLG2 | Replikation und Reparatur der mitochondriellen DNA |
| δ (delta) | B | 4 | POLD1, POLD2, POLD3, POLD4 | Synthese am Folgestrang |
| ε (epsilon) | B | 4 | POLE, POLE2, POLE3, POLE4 | Synthese am Leitstrang |
| ζ (zeta) | B | 2 | Rev3L, MAD2B (Rev7) | Transläsionssynthese, verlängert Nukleotide die durch Rev1, oder Pol ι eingesetzt wurden |
| η (eta) | Y | 1 | POLH | Transläsionssynthese, fehlerfreier Bypass von Pyrimidin-Dimeren, 8-Oxoguanin. Bei anderen Beschädigungen extrem Fehleranfällig. |
| θ (theta) | A | 1 | POLQ | Alt-NHEJ, Somatische Hypermutation, BER |
| ι (iota) | Y | 1 | POLI | Transläsionssynthese: Pyrimidin-Dimere, Bypass durch Hoogsteen-Basenpaarung |
| κ (kappa) | Y | 1 | POLK | Transläsionssynthese: Oxidative Schäden, besonders N2-Stickstoff modifizierte Guanine |
| λ (lambda) | X | 1 | POLL | NHEJ, V(D)J-Rekombination, möglicherweise Backup für Pol β |
| μ (mu) | X | 1 | POLM | NHEJ, V(D)J-Rekombination |
| ν (nu) | A | 1 | POLN | Wahrscheinlich Transläsionssynthese: ICL, kovalente DNA-Protein Verbindungen |
| Rev1 | Y | 1 | REV1 | Transläsionssynthe: Abasische Stellen, durch Pol ζ verlängert |
| Tdt | X | 1 | TDT | V(D)J-Rekombination: Synthese von zufälligen 3'-Überhängen |
| Prokaryoten | ||||
| DNA-Polymerase | Familie | Untereinheiten | Gen | Funktion |
| I | A | 1 | polA | Ersatz der RNA-Primer in der Replikation durch DNA, DNA-Reparatur |
| II | B | 1 | polB | Transläsionssynthese, NER, aktiviert durch gestörte DNA-Synthese, |
| III | C | 10 | dnaA, dnaQ, holE, dnaX, holA, holB, holC, holD, dnaN, dnaX | DNA-Synthese am Leitstrang und Folgestrang |
| IV | Y | 1 | dinB | Transläsionssynthese: aktiviert an blockierten Replikationsgabeln, Bypass von 8-Oxoguanin |
| V | Y | 3 | UmuD’, UmuC | Transläsionssynthese |
Eigenschaften
Struktur
DNA-Polymerasen sind hochgradig divers. Nur in wenigen Fällen existieren trotz einer evolutionären Verwandtschaft größere Sequenzhomologien. Sie können als Monomere vorkommen (z.B. Polymerase β) oder als multimerer Enzymkomplex (z.B Polymerase δ oder die riesige DNA-Polymerase III).
Trotzdem besitzen sie einige strukturelle Gemeinsamkeiten, besonders in der katalytischen Untereinheit. Deren Faltungsmotiv wird als "Right-Hand-Fold" bezeichnet, da die Anordnung der Domänen der vereinfachten Struktur einer Hand gleichen. Die einzelnen Regionen heißen:
- Finger
- Palm
- Thumb
- Little-Finger (auch als Polymerase-assoziierte Domäne oder Wrist bezeichnet)
Bei allen Polymerasen befindet sich das aktive Zentrum der Polymerase in der Palm-Domäne. Dort liegen drei essentielle Aminosäurenreste, welche die Reaktion katalysieren.
Aufgrund ihrer Struktur werden die Polymerasen in die Familien A, B, C, X und Y eingeteilt
Biochemie
EC-Klassifikation
Alle Polymerasen gehören zur Gruppe der Nukleotidyltransferasen (EC 2.7.7). Weiter kann man unterscheiden zwischen:
- DNA-abhängigen DNA-Polymerasen (EC 2.7.7.7)
- RNA-abhängigen DNA-Polymerasen (EC 2.7.7.49)
- Matrizenunabhängige DNA-Polymerase (EC 2.7.7.31)
Die RNA-abhängigen DNA-Polymerasen werden im Artikel "Reverse Transkriptase" behandelt. Die matrizenunabhängigen DNA-Polymerasen enthalten nur ein Enzym, die terminale Desoxyribonukleotidyltransferase. Trotz ihrer einzigartigen Fähigkeit, einzelsträngige DNA ohne Vorlage zu verlängern, gehört sie trotzdem zu den DNA-Polymerasen.
Reaktionsmechanismus
Chemisch betrachtet ist die Polymerisation der DNA ein nukleophiler Angriff der 3’-OH-Gruppe am Ende des Nukleinsäurestrangs auf das α-Phosphoratom des jeweils als nächstes einzubauenden Nukleotids. Die beiden Edukte werden über eine Phosphodiesterbindung verknüpft. Bei jeder Anknüpfung eines Nukleotids wird somit ein Pyrophosphat freigesetzt. Folglich müssen immer ausreichend Nukleosidtriphospate (ATP, GTP, UTP, CTP) vorhanden sein.
Prozessivität
Die Polymerasen besitzen extreme Unterschiede bezüglich ihrer Prozessivität, also der Anzahl an Nukleotiden die sie einsetzen können, ohne sich von der DNA zu lösen. Die geringste Prozessivität zeigt die DNA-Polymerase μ, die nach jedem Nukleotid dissoziiert. Die höchste natürliche Prozessivität besitzt die prokaryotische DNA-Polymerase III, welche die Polymerisation von 50.000 Nukleotiden am Stück katalysieren kann.
Die Fähigkeit zu einer hohen Prozessivität liegt jedoch selten in der katalytischen Untereinheit. Dies zeigt sich besonders drastisch an der DNA-Polymerase III. Deren aktive α-Untereinheit ist isoliert nur zur kontinuerlichen Synthese von 10 Nukleotiden fähig. Erst durch die anderen Untereinheiten erhöht sich die Prozessivität auf den extrem hohen Wert. Ermöglicht wird dies bei der Polymerase III durch eine klammerartige Struktur der β-Untereinheit. Bei den eukaryotischen replikativen Polymerasen wird dies durch das Protein PCNA ermöglicht, welche die Polymerasen auf die DNA lädt und während der Replikation die Verbindung mit der DNA aufrechterhält.
Fehlerrate
Generell haben die DNA-Polymerasen der Replikation eine geringe Fehlerrate von ca. 10-5 bis 10-7. Diese geringe Fehlerrate lässt sich aber nicht durch die unterschiedlichen Affinität der gepaarten Basen erklären, sondern durch eine aktive Diskriminierung der jeweils falschen dNTPs.
Die Polymerasen, welche in die DNA-Reparatur involviert sind, besitzen oftmals deutlich höhere Fehlerraten. Ein Extremfall ist hier die DNA-Polymerase η, die an unbeschädigter DNA ungefähr jede zehnte Base falsch paart. Oftmals sind sie jedoch sehr spezifisch für bestimmte DNA-Läsionen am Matrizenstrang und können dort das korrekte Nukleotid fehlerfrei einsetzen.
siehe auch: Transläsionspolymerasen
Literatur
- Klug, W. S. Concepts of genetics. 10th edn. Pearson Education, 2012, Seite 276-277, 281-284.
- Garcia-Diaz M, Bebenek K. Multiple functions of DNA polymerases. Critical reviews in plant sciences. 2007;26(2):105-122. doi:10.1080/07352680701252817.
- Federley RG, Romano LJ. [https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC2933918/ DNA Polymerase: Structural Homology, Conformational Dynamics, and the Effects of Carcinogenic DNA Adducts. Journal of Nucleic Acids. 2010;2010:457176. doi:10.4061/2010/457176.