DNA-Polymerase I

Die DNA-Polymerase I ist ein monomeres Enzym und besteht aus 928 Aminosäuren. Sie wird durch das Gen polA kodiert. Die enzymatischen Funktionen der Polymerase liegen auf zwei unterschiedlichen Domänen:

• Die größere Domäne besitzt die Polymerasen- und 3'-5'-Exonukleasen-Aktivität.
• Die kleinere Domäne enthält eine 5'-3-Exonuklease.

Die DNA-Polymerase I ist die häufigste DNA-Polymerase in der prokaryotischen Zelle und besitzt über 400 Kopien (die DNA-Polymerase III hat nur ca. 15 Kopien pro Zelle).^[1]

Die DNA-Polymerase I besitzt drei enzymatische Aktivitäten:

• 5'-3'-Polymerase
• 3'-5'-Exonuklease
• 5'-3'-Exonuklease

Zur Polymerisation in 5'-3'-Richtung benötigt das Enzym, wie die anderen DNA-Polymerasen, ein freies 3'-OH Ende. dNTPs werden über den nukleophilen Angriff dieser Hydroxylgruppe durch Abspaltung von Pyrophosphat angehängt. Das Enzym ist an einzelsträngigen Bereichen der DNA aktiv, besitzt jedoch nur eine geringe Prozessivität und kann nur ca. 20 Nukleotide am Stück anhängen.

Die 3'-5'-Exonukleasen-Aktivität ermöglicht der Polymerase das Proofreading. Dazu wird bei einer Fehlpaarung das letzte Nukleotid entfernt und durch das korrekte Nukleotid ersetzt.

Die seltenere 5'-3'-Exonukleasen-Domäne verwendet einzelsträngige- und doppelsträngige DNA als Substrat. Dies ermöglicht es ihr, Überhänge und fehlgepaarte Regionen zu entfernen.^[1]

Die wichtigste Funktion der DNA-Polymerase I ist die Entfernung der RNA-Primer an den Okazaki-Fragmenten, die durch die kontinuierliche Initiation der DNA-Synthese am Folgestrang entstehen. Essentiell scheint hier vor allem die Aktivität als 5'-3'-Exonuklease zu sein, da polA-Mutanten nur überleben, wenn diese Funktion noch bereitgestellt werden kann. Zusätzlich besitzt die DNA-Polymerase I noch wichtige Funktionen in der DNA-Reparatur, da sie Fehlpaarungen und einzelsträngige Bereiche reparieren kann.^[2]

Durch die Spaltung der DNA-Polymerase I mit der Protease Subtilisin entsteht ein Enzym mit veränderten biochemischen Eigenschaften. Dieses wurde nach seinem Entdecker als Klenow-Fragment bezeichnet. Es besitzt noch die 5'-3'-Polymerase- und die 3'-5'-Exonuklease-Aktivität, jedoch nicht mehr die 5'-3‘-Exonuklease-Aktivität. Dieses Fragment war vor der Entdeckung der Taq-Polymerase das verwendete Enzym in der PCR.

Die DNA-Polymerase I war die erste entdeckte DNA-Polymerase aller Organismen. Sie wurde 1956 von Arthur Kornberg charakterisiert. Dass sie als erstes identifiziert wurde, lässt sich auf die enorme Häufigkeit in der Zelle zurückführen (sie ist für 95% der Polymerasenaktivität verantwortlich). Obwohl zu diesem Zeitpunkt feststand, dass das identifizierte Enzym die Polymerisation von Deoxyribonukleotiden katalyisiert, brauchte es weitere Forschungsarbeiten, bis die Rolle in der Replikation der DNA feststand. Weitere Polymerasen (DNA-Polymerase II und III) wurden später durch seinen Sohn Thomas Kornberg identifiziert.^[1]