DNA-Polymerase ε

Die menschliche Zelle besitzt 14 verschiedene DNA-Polymerasen, jedoch ist eine erfolgreiche Replikation nur von den DNA-Polymerasen α, δ und ε abhängig. Die DNA-Polymerase α war die erste entdeckte DNA-Polymerase der eukaryotischen Zelle, gefolgt von der DNA-Polymerase δ 1976. Dies hat zu einem mittlerweile veralteteten Modell der DNA-Synthese geführt, in dem die Polymerase nur einen initialen RNA-Primer synthetisiert und die Elongation durch die DNA-Polymerase δ erfolgt. 10 Jahre später wurde die Polymerase ε entdeckt, die zuerst als Polymerase δII bezeichnet wurde. Es konnte eine Arbeitsteilung zwischen den Polymerasen nachgewiesen werden, in der die DNA-Polymerase ε hauptsächlich am Leitstrang und DNA-Polymerase δ am Folgestrang präsent ist.

Die DNA-Polymerase ε wird beim Menschen durch vier Gene codiert:

Die DNA-Polymerase ε ist ein Heterotetramer und gehört zur B-Familie der DNA-Polymerasen. Die größte Untereinheit p261 enthält am N-Terminus die Polymerasen- und die Exonukleasen-Aktivität. Der C-Terminus besteht aus Zinkfingern, die mit den anderen Untereinheiten interagieren. Die Struktur wird so charakterisiert, dass die große zentrale Unterheit einen Schwanz aus den kleineren Untereinheiten besitzt. Diese Schwanz ist vermutlich um die DNA gewickelt und ermöglicht eine starke Bindung an sie.^[1]

Die DNA-Polymerase besitzt eine hohe Prozessivität und kann tausende Nukleotide anhängen, bevor sie sich von der DNA löst. Diese hohe Prozessivtät ist auch ohne das Ringklemmenprotein PCNA möglich, im Gegensatz zu der Polymerase δ, die strikt von PCNA abhängig ist. Sie besitzt außerdem eine sehr geringe Fehlerrate von ca. 10^-5.

Die Polymerase ε zeigt außerdem Aktivität als 3'-5'-Exonuklease und hat damit die Fähigkeit zum Proofreading. Ist sie mutiert, steigt die Anzahl von Mutationen um den Faktor 10.^[2] Es konnte nachgewiesen werden, dass die Polymerase δ nicht nur ihre eigenen Replikationsfehler durch Proofreading korrigiert (cis-Proofreading), sondern dies auch auf dem Strang durchführt, der von der Polymerase ε synthetisiert wurde (trans-Proofreading). Sie ist aber nicht fähig, Fehler der Polymerase δ zu korrigieren.

Mutationsexperimente haben außerdem gezeigt, dass die Polymerase δ auch teilweise die Funktionen der Polymerase ε auf dem Leitstrang übernehmen kann, diese aber nicht fähig zur Elongation der Okazaki-Fragmente auf dem Folgestrang ist.^[3]

Die Replikation wird durch die DNA-Polymerase α gestartet, die einen hybriden RNA-DNA-Primer synthetisiert. Die DNA-Polymerase α wird durch Polymerase ε ausgetauscht, welche die DNA-Synthese des Leitstranges kontinuerlich fortsetzt. Die Arbeitsteilung der Polymerasen δ und ε wird über ein komplexes Zusammenspiel aus PCNA, RFC und dem CMG-Komplex reguliert.^[4]

Vor dieser Initiation ist die Polymerase ε bereits in einem Komplex aus GINS, Dpb11 und Sld2 gebunden. GINS ist ebenfalls Teil der replikativen Helikase CMG-Komplex, wodurch die Polymerase ε am Replikationsursprung lokalisiert ist. Ohne diese Interaktion verzögert sich der Fortschritt in der S-Phase.