DNA-Polymerase δ

Für eine erfolgreiche Replikation benötigt die menschliche Zelle drei Polymerasen: Die DNA-Polymerase α, δ und ε. Dabei ist die Polymerase ε am Leitstrang lokalisiert und δ am Folgestrang. Diese Arbeitsteilung ist eine vergleichsweise neue Entdeckung und es wird vermutet, dass besonders die Polymerase δ eine deutlich wichtigere Funktion in der Replikation hat, als die Polymerase ε, da sie diese teilweise ersetzen kann.^[1]

Die DNA-Polymerase δ wird durch vier Gene codiert:

Die Polymerase δ ist ein heterotetramer und gehört zur B-Familie der DNA-Polymerasen. Die Struktur des aktiven Zentrums ist bei allen Polymerasen der B-Familie hoch konserviert. Schon kleinste Mutationen können die Aktivität und die Genauigkeit stark verändern. Die katalytische Unterheinheit besitzt das typische "Right-Hand"-Faltungsmotiv, das die meisten DNA-Polymerasen besitzen. Die große p125-Unterheit bildet zusammen mit der p50 Untereinheit dabei das Kernprotein. Die Bindung der anderen Untereinheiten verstärkt die Aktivität des Enzyms. Die Interaktion mit dem Ringklemmenprotein PCNA erfolgt über den p125/p50.2.

Die katalysierte Reaktion der DNA-Polymerase δ entspricht dem Mechanismus der Nukleotidyltransferasen. Ein dNTP bindet an das aktive Zentrum der Polymerase und wird über Basenpaarung mit dem gegenüberliegen Nukleotid ausgerichtet. Über einen nukleophilen Angriff des 3'-OH Endes wird es durch Abspaltung eines Pyrophosphats kovalent mit dem vorhergehenden Nukleotid verbunden. Zusätzlich besitzt die Polymerase δ auch eine Aktivität als 3'-5'-Exonuklease und dadurch die Fähigkeit zum Proofreading. Diese Funktion befindet sich ebenfalls auf der katalytischen Untereinheit.

Replikation

Initiation

Die DNA-Polymerase δ übernimmt die DNA-Synthese am Folgestrang. Diese wird durch die Polymerase α gestartet, die eine Primase-Untereinheit besitzt, mit der sie ohne 3'-OH Ende einen RNA-Primer synthetisieren kann und diesen danach mit ca. 20-30 DNA-Nukleotiden verlängert. Die Polymerase α besitzt aber nur eine geringe Prozessivität und eine höhere Fehlerrate und kann nicht die komplette DNA-Synthese übernehmen. Sie wird durch die anderen replikativen DNA-Polymerasen ersetzt.

Elongation

Die Polymerase δ wird durch PCNA an das freie 3'-OH Ende des RNA-DNA-Primers geladen. Durch den strikten 5'-3'-Mechanismus der Polymerase erfolgt die Synthese nicht kontinuerlich, sondern immer nur in Segmenten von ca. 200-300 Basenpaaren, bis es auf den vorhergehenden Primer trifft. Diese Abschnitte werden als Okazaki-Fragmente bezeichnet.

Strand displacement synthesis

Sobald die Polymerase auf den Primer trifft, ersetzt sie die RNA- durch DNA-Nukleotide. Dieser Mechanismus wird als strand displacement synthesis bezeichnet. Der RNA-Primer steht dadurch seitlich klappenartig ab (Englisch: "flap") und wird durch die Endonuklease FEN1 abgetrennt. Die Lücke wird durch die DNA-Ligase I verschlossen.^[2]

DNA-Reparatur

Wie die DNA-Polymerase ε, besitzt auch die DNA-Polymerase δ Funktionen in der Basenexzisionsreparatur und Nukleotidexzisionsreparatur, in denen sie enstandene Lücken mit Nukleotiden auffüllen.