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Transläsionspolymerase: Unterschied zwischen den Versionen

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Als '''Transläsionspolymerasen''' werden die spezialisierten [[DNA-Polymerase]]n bezeichnet, welche die [[DNA-Synthese]] an beschädigten [[Nukleotid]]en während der [[Replikation]] fortsetzen können. Sie haben eine hohe Fehleranfälligkeit und können oft nur bestimmte [[Substrat]]e zuverlässig erkennen.
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Als '''Transläsionspolymerasen''' werden die spezialisierten [[DNA-Polymerase]]n der [[Eukaryot]]en bezeichnet, welche die [[DNA-Synthese]] an beschädigten [[Nukleotid]]en während der [[Replikation]] fortsetzen können. Sie haben eine hohe Fehleranfälligkeit und können oft nur bestimmte [[Substrat]]e zuverlässig erkennen.
  
 
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Die replikativen [[DNA-Polymerase δ|DNA-Polymerasen δ]]  und [[DNA-Polymerase ε|ε]] der eukaryotischen Zellen verfügen über eine hohe [[Prozessivität]], binden also sehr eng an die [[DNA]] und können tausende Nukleotide synthetisieren, bevor sie dissoziieren. Tritt im abgelesenen [[DNA-Strang]] eine Beschädigung auf, welche die Eigenschaften der [[Nukleobase]] verändern, stoppen diese Polymerasen und die Replikation ist blockiert. Um die Replikation weiter zu führen, werden die Polymerasen der [[Transläsionssynthese]] rekrutiert. Diese führen regelmäßig selber Mutationen ein, erlauben aber die Fortsetzung der Replikation, wodurch ein Zusammenbruch der [[Replikationsgabel]] verhindert wird.  
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Die replikativen [[DNA-Polymerase δ|DNA-Polymerasen δ]]  und [[DNA-Polymerase ε|ε]] der eukaryotischen Zellen verfügen über eine hohe [[Prozessivität]], binden also sehr eng an die [[DNA]] und können tausende Nukleotide synthetisieren, bevor sie dissoziieren. Tritt im abgelesenen [[DNA-Strang]] eine Beschädigung auf, welche die Eigenschaften der [[Nukleobase]] verändert, stoppen diese Polymerasen und die Replikation ist blockiert. Um sie weiter zu führen, werden die Polymerasen der [[Transläsionssynthese]] rekrutiert. Diese führen regelmäßig selber [[Mutation]]en ein, erlauben aber die Fortsetzung der Replikation, wodurch ein Zusammenbruch der [[Replikationsgabel]] verhindert wird.  
  
 
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Im [[Mensch]]en existieren fünf Polymerasen, die an der Transläsionssynthese beteiligt sind. Diese gehören zu zwei verschieden Familien der DNA-Polymerasen:
Im Menschen existieren fünf Polymerasen die an der Transläsionssynthese beteiligt sind. Diese gehören zu zwei verschieden Familien der DNA-Polymerasen:
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Obwohl die Polymerasen faktisch keine [[Sequenzhomologie]]n zu den replikativen DNA-Polymerasen besitzen, bilden alle sehr ähnliche [[Proteinfaltung|Faltungsmotive]] aus. Diese werden als "Right-Hand-Fold" bezeichnet, da die Anordnung der Motive der vereinfachten Struktur einer Hand gleichen. Die einzelnen Regionen heißen:
  
 
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===B-Familie Polymerase===
 
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Die DNA-Polymerase ζ ist die einzige Transläsionspolymerase die zur B-Familie der DNA-Polymerasen gehört, der auch die DNA-Polymerasen ε und δ zugeordnet werden. Trotzdem besitzt auch Polymerase ζ keine 3'-5' [[Exonuklease]]-Aktivität.
 
Die DNA-Polymerase ζ ist die einzige Transläsionspolymerase die zur B-Familie der DNA-Polymerasen gehört, der auch die DNA-Polymerasen ε und δ zugeordnet werden. Trotzdem besitzt auch Polymerase ζ keine 3'-5' [[Exonuklease]]-Aktivität.
Im Gegensatz zu den Polymerasen der Y-Familie besteht sie aus mehreren Untereinheiten: Rev3 und Rev7. Im Vergleich zu den anderen Polymerasen existieren aber nur wenig Strukturinformationen über den kompletten [[Proteinkomplex|Komplex]]
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Im Gegensatz zu den Polymerasen der Y-Familie besteht sie aus mehreren Untereinheiten: Rev3 und Rev7. Im Vergleich zu den anderen Polymerasen existieren aber nur wenig Strukturinformationen über den kompletten [[Proteinkomplex|Komplex]].
  
 
==Biochemie==
 
==Biochemie==
Das [[Aktives Zentrum|aktive Zentrum]] befindet sich wie bei anderen Polymerasen in der Palm-Region. Dort koordinieren [[Aspartat]]- und [[Glutamat]]reste ein [[Magnesium]]ion, das ankommende [[dNTP]]s stabilisiert. Generell ist das aktive Zentrum deutlich größer und offener gestaltet. Dadurch können auch sehr große [[DNA-Addukt]]e gebunden werden. Der Mechanismus des [[Nukleotidyltransferase|Nukleotidyl-Transfers]] kann sich vorallem [[sterisch]] unterscheiden. Beispielsweise erkennt das aktive Zentrum der DNA-Polymerase Rev1 ein modifiziertes [[Guanin]] als Vorlage, dreht dieses dann aber heraus und stabilisiert über [[Wasserstoffbrückenbindung]] ein rekrutiertes dCTP-Nukleotid.  
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Das [[Aktives Zentrum|aktive Zentrum]] befindet sich wie bei anderen Polymerasen in der Palm-Region. Dort koordinieren [[Aspartat]]- und [[Glutamat]]reste ein [[Magnesium]]ion, das ankommende [[dNTP]]s stabilisiert. Generell ist das aktive Zentrum deutlich größer und offener gestaltet als bei den replikativen DNA-Polymerasen. Dadurch können auch sehr große [[DNA-Addukt]]e gebunden werden.  
  
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Der Mechanismus des [[Nukleotidyltransferase|Nukleotidyl-Transfers]] kann sich zwischen den einzelnen Polymerasen vor allem [[sterisch]] unterscheiden. Beispielsweise erkennt das aktive Zentrum der DNA-Polymerase Rev1 ein modifiziertes [[Guanin]] als Vorlage, dreht dieses dann aber heraus und stabilisiert über [[Wasserstoffbrückenbindung]] ein rekrutiertes dCTP-Nukleotid.
 
Die DNA-Polymerase ι kann die ungewöhnliche [[Hoogsteen-Basenpaarung]] durchführen.
 
Die DNA-Polymerase ι kann die ungewöhnliche [[Hoogsteen-Basenpaarung]] durchführen.
Die Thumb- und Finger-Domäne sorgen für die Bindung an die DNA. Die Little-Finger-Domäne sorgt für zusätzliche Bindung an die DNA. Sie bindet wahrscheinlich direkt die Beschädigung am Vorlagenstrang, wodurch sie für bestimmte Läsionen spezifisch sein kann. Diese Domäne kann bei replikativen Polymerasen nicht gefunden werden. Trotz dieser zusätzlichen Domäne ist die Bindung an die DNA deutlich offener und flexibler. <ref>[https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC2650891/ Eukaryotic translesion polymerases and their roles and regulation in DNA damage tolerance.] Microbiol Mol Biol Rev 73, 134-154, doi:10.1128/MMBR.00034-08 (2009).</ref>  
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Die Thumb- und Finger-Domäne sorgen dabei für die Bindung an die DNA. Die Little-Finger-Domäne sorgt für zusätzliche Bindung an die DNA, wahrscheinlich direkt die Beschädigung am Vorlagenstrang, wodurch sie für bestimmte Läsionen spezifisch sein kann. Diese Domäne kann bei replikativen Polymerasen nicht gefunden werden. Trotz dieser zusätzlichen Domäne ist die Bindung an die DNA deutlich offener und flexibler. <ref>[https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC2650891/ Eukaryotic translesion polymerases and their roles and regulation in DNA damage tolerance.] Microbiol Mol Biol Rev 73, 134-154, doi:10.1128/MMBR.00034-08 (2009).</ref>  
  
 
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|[[DNA-Polymerase ζ]] (zeta) || fehlgepaarte [[Primer]], abasische Stellen || 10<sup>-3</sup>
 
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Die Transläsionspolymerasen besitzen mehrere gemeinsame Eigenschaften: <ref>Yang, W. [https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4018060/ An overview of Y-Family DNA polymerases and a case study of human DNA polymerase eta.] Biochemistry 53, 2793-2803, doi:10.1021/bi500019s (2014).</ref>  
 
Die Transläsionspolymerasen besitzen mehrere gemeinsame Eigenschaften: <ref>Yang, W. [https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4018060/ An overview of Y-Family DNA polymerases and a case study of human DNA polymerase eta.] Biochemistry 53, 2793-2803, doi:10.1021/bi500019s (2014).</ref>  
  
*Sie können bestimmte modifizierte Nukleotide trotz der Beschädigung erkennen und setzen am komplementären DNA-Strang das korrekte Nukleotid ein. Beispielsweise passt der häufig auftretende oxidative Schaden 8-Oxoguanin in das aktive Zentrum der DNA-Polymerase η, wodurch es ein [[Cytosin]] einbaut.  
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*Sie können bestimmte modifizierte Nukleotide trotz der Beschädigung erkennen und setzen am komplementären DNA-Strang das korrekte Nukleotid ein. Beispielsweise passt der häufig auftretende, durch [[oxidativer Stress|oxidativen Stress]] entstandene 8-Oxoguanin in das aktive Zentrum der DNA-Polymerase η, wodurch es ein [[Cytosin]] einbaut.  
*An unbeschädigter DNA sind sie extrem fehleranfällig. Die DNA-Polymerase Rev1 erkennt zwar zuverlässig verschiedene Addukte der [[Nukleobase]] [[Guanin]] und umgeht abasische Nukleotide. Da sie jedoch nur eine dCMP-[[Transferase]]-Aktivität besitzt, setzt sie auf unbeschädigter DNA immer ein Cytosin ein, unabhängig von der eigentlichen Sequenz.
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*An unbeschädigter DNA sind sie extrem fehleranfällig. Die DNA-Polymerase Rev1 erkennt zwar zuverlässig verschiedene Addukte der [[Nukleobase]] [[Guanin]] und umgeht abasische Nukleotide. Da sie jedoch nur eine dCMP-[[Transferase]]-Aktivität besitzt, setzt sie auf unbeschädigter DNA immer ein Cytosin ein, unabhängig von der eigentlichen [[DNA-Sequenz|Sequenz]].
*Sie besitzen keine Fähigkeit zum Proofreading und keine 3'-5' Exonuklease-Aktivität wie die replikativen Polymerasen.
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*Sie besitzen keine Fähigkeit zum [[Proofreading]] und keine [[3'-5' Exonuklease]]-Aktivität wie die replikativen Polymerasen.
*Geringe [[Prozessivität]]. Die Transläsionspolymerasen können keine längeren Segmente synthetisieren, sondern fallen schon nach wenigen Nukleotiden von der DNA ab.
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*Geringe Prozessivität. Die Transläsionspolymerasen können keine längeren Segmente synthetisieren, sondern fallen schon nach wenigen Nukleotiden von der DNA ab.
  
 
==Klinische Bedeutung==
 
==Klinische Bedeutung==
Eine Deregulation der Transläsionspolymerasen ist mit erhöhter genomischer Instabilität assoziiert. Eine [[Mutation]] im Gen der Polymerase η führt beispielsweise zu einer Variante der Hautkrankheit [[Xeroderma pigmentosum]]. In [[Tumorgewebe]]n sind die Transläsionspolymerasen häufig [[überexpression|überexprimiert]] und ermöglichen es den Zellen die Wirkung von DNA-Schädigenden [[Chemotherapeutikum|Chemotherapeutika]] zu umgehen.  
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Eine Deregulation der Transläsionspolymerasen ist mit einer erhöhten genomischen Instabilität assoziiert. Eine Mutation im Gen der Polymerase η führt beispielsweise zu einer Variante der Hautkrankheit [[Xeroderma pigmentosum]]. In [[Tumorgewebe]]n sind die Transläsionspolymerasen häufig [[überexpression|überexprimiert]] und ermöglichen es den Zellen die Wirkung von DNA-schädigenden [[Chemotherapeutikum|Chemotherapeutika]] zu umgehen.  
  
 
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Version vom 24. Mai 2018, 10:05 Uhr

Englisch: Translesion polymerase, translesion synthesis polymerase

1 Definition

Als Transläsionspolymerasen werden die spezialisierten DNA-Polymerasen der Eukaryoten bezeichnet, welche die DNA-Synthese an beschädigten Nukleotiden während der Replikation fortsetzen können. Sie haben eine hohe Fehleranfälligkeit und können oft nur bestimmte Substrate zuverlässig erkennen.

2 Hintergrund

Die replikativen DNA-Polymerasen δ und ε der eukaryotischen Zellen verfügen über eine hohe Prozessivität, binden also sehr eng an die DNA und können tausende Nukleotide synthetisieren, bevor sie dissoziieren. Tritt im abgelesenen DNA-Strang eine Beschädigung auf, welche die Eigenschaften der Nukleobase verändert, stoppen diese Polymerasen und die Replikation ist blockiert. Um sie weiter zu führen, werden die Polymerasen der Transläsionssynthese rekrutiert. Diese führen regelmäßig selber Mutationen ein, erlauben aber die Fortsetzung der Replikation, wodurch ein Zusammenbruch der Replikationsgabel verhindert wird.

3 Vorkommen

Im Menschen existieren fünf Polymerasen, die an der Transläsionssynthese beteiligt sind. Diese gehören zu zwei verschieden Familien der DNA-Polymerasen:

4 Struktur

4.1 Y-Familie Polymerasen

Obwohl die Polymerasen faktisch keine Sequenzhomologien zu den replikativen DNA-Polymerasen besitzen, bilden alle sehr ähnliche Faltungsmotive aus. Diese werden als "Right-Hand-Fold" bezeichnet, da die Anordnung der Motive der vereinfachten Struktur einer Hand gleichen. Die einzelnen Regionen heißen:

  • Finger
  • Palm
  • Thumb
  • Little-Finger (auch als Polymerase-assoziierte Domäne oder Wrist bezeichnet)

4.2 B-Familie Polymerase

Die DNA-Polymerase ζ ist die einzige Transläsionspolymerase die zur B-Familie der DNA-Polymerasen gehört, der auch die DNA-Polymerasen ε und δ zugeordnet werden. Trotzdem besitzt auch Polymerase ζ keine 3'-5' Exonuklease-Aktivität. Im Gegensatz zu den Polymerasen der Y-Familie besteht sie aus mehreren Untereinheiten: Rev3 und Rev7. Im Vergleich zu den anderen Polymerasen existieren aber nur wenig Strukturinformationen über den kompletten Komplex.

5 Biochemie

Das aktive Zentrum befindet sich wie bei anderen Polymerasen in der Palm-Region. Dort koordinieren Aspartat- und Glutamatreste ein Magnesiumion, das ankommende dNTPs stabilisiert. Generell ist das aktive Zentrum deutlich größer und offener gestaltet als bei den replikativen DNA-Polymerasen. Dadurch können auch sehr große DNA-Addukte gebunden werden.

Der Mechanismus des Nukleotidyl-Transfers kann sich zwischen den einzelnen Polymerasen vor allem sterisch unterscheiden. Beispielsweise erkennt das aktive Zentrum der DNA-Polymerase Rev1 ein modifiziertes Guanin als Vorlage, dreht dieses dann aber heraus und stabilisiert über Wasserstoffbrückenbindung ein rekrutiertes dCTP-Nukleotid. Die DNA-Polymerase ι kann die ungewöhnliche Hoogsteen-Basenpaarung durchführen. Die Thumb- und Finger-Domäne sorgen dabei für die Bindung an die DNA. Die Little-Finger-Domäne sorgt für zusätzliche Bindung an die DNA, wahrscheinlich direkt die Beschädigung am Vorlagenstrang, wodurch sie für bestimmte Läsionen spezifisch sein kann. Diese Domäne kann bei replikativen Polymerasen nicht gefunden werden. Trotz dieser zusätzlichen Domäne ist die Bindung an die DNA deutlich offener und flexibler. [1]

Polymerase Substrate Fehlerrate
DNA-Polymerase η (eta) Pyrimidin-Dimere, 8-Oxoguanin, Intrastrandcrosslinks 10-1
DNA-Polymerase κ (kappa) verschiedene oxidative Addukte 10-2 – 10-3
DNA-Polymerase ι (iota) Pyrimidin-Dimere 10-2
DNA-Polymerase Rev1 abasische Stellen, Guanin-Addukte 10-2
DNA-Polymerase ζ (zeta) fehlgepaarte Primer, abasische Stellen 10-3

6 Eigenschaften

Die Transläsionspolymerasen besitzen mehrere gemeinsame Eigenschaften: [2]

  • Sie können bestimmte modifizierte Nukleotide trotz der Beschädigung erkennen und setzen am komplementären DNA-Strang das korrekte Nukleotid ein. Beispielsweise passt der häufig auftretende, durch oxidativen Stress entstandene 8-Oxoguanin in das aktive Zentrum der DNA-Polymerase η, wodurch es ein Cytosin einbaut.
  • An unbeschädigter DNA sind sie extrem fehleranfällig. Die DNA-Polymerase Rev1 erkennt zwar zuverlässig verschiedene Addukte der Nukleobase Guanin und umgeht abasische Nukleotide. Da sie jedoch nur eine dCMP-Transferase-Aktivität besitzt, setzt sie auf unbeschädigter DNA immer ein Cytosin ein, unabhängig von der eigentlichen Sequenz.
  • Sie besitzen keine Fähigkeit zum Proofreading und keine 3'-5' Exonuklease-Aktivität wie die replikativen Polymerasen.
  • Geringe Prozessivität. Die Transläsionspolymerasen können keine längeren Segmente synthetisieren, sondern fallen schon nach wenigen Nukleotiden von der DNA ab.

7 Klinische Bedeutung

Eine Deregulation der Transläsionspolymerasen ist mit einer erhöhten genomischen Instabilität assoziiert. Eine Mutation im Gen der Polymerase η führt beispielsweise zu einer Variante der Hautkrankheit Xeroderma pigmentosum. In Tumorgeweben sind die Transläsionspolymerasen häufig überexprimiert und ermöglichen es den Zellen die Wirkung von DNA-schädigenden Chemotherapeutika zu umgehen.

siehe auch: Transläsionssynthese

8 Quellen

  1. Eukaryotic translesion polymerases and their roles and regulation in DNA damage tolerance. Microbiol Mol Biol Rev 73, 134-154, doi:10.1128/MMBR.00034-08 (2009).
  2. Yang, W. An overview of Y-Family DNA polymerases and a case study of human DNA polymerase eta. Biochemistry 53, 2793-2803, doi:10.1021/bi500019s (2014).

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