[科普中國]-DNA聚合酶

DNA聚合酶，又稱DNA依賴的DNA聚合酶（DNA—dependent DNA polymerase，DNA pol），它是以親代DNA為模板，催化底物dNTP分子聚合形成子代DNA的一類酶。此酶最早是美國科學家Arthur Komberg于1957年在大腸桿菌中發(fā)現(xiàn)的，被稱為DNA聚合酶Ⅰ（DNA polymerase Ⅰ，簡稱polⅠ）以后陸續(xù)在其他原核生物及真核生物中找到了多種DNA聚合酶。這些DNA聚合酶的共同特征為：①具有5’→3’聚合酶活性，這就決定了DNA只能沿著5’→3’方向合成；②需要引物，DNA聚合酶不能催化DNA新鏈從頭合成，只能催化dNTP加入核苷酸鏈的3'-OH末端。因而復制之初需要一段DNA引物的3’一OH端為起點，合成5’→3’方向的新鏈。1

歷史1953年，沃森和克里克發(fā)表了經典論文，描述DNA的化學結構，而一些科學家對它的重要性提出了最初的質疑。兩人在論文中提出，DNA的復制原理仍有待確定。當時，美國生物化學家阿瑟·科恩伯格正在密蘇里州圣路易斯市的華盛頓大學微生物學系工作，他認可了這篇論文的重要意義。由此，他開始對機體合成核酸的過程產生了興趣，尤其是合成DNA。他在這些研究中使用的是相對簡單的大腸桿菌，1956年，他發(fā)現(xiàn)了裝配DNA基本單位的酶。這種酶被稱為DNA聚合酶Ⅰ，它以幾種不同的變體出現(xiàn)在所有的生物體中?？贫鞑裨谡撐闹忻枋隽诉@些發(fā)現(xiàn)，他的論文起初不免遭拒，但之后于1957年被著名的《生物化學期刊》接受并發(fā)表。1959年，因為確定了“DNA的生物合成機制”，他成為諾貝爾獎的共同獲得者之一。2

DNA聚合酶Ⅰ(pol Ⅰ)的發(fā)現(xiàn)對生物學研究有著非常重要的意義，因為它在生命過程中起著核心作用，令我們認識到DNA如何進行復制與修復。在細胞分裂之前，pol Ⅰ會復制細胞DNA的所有成分。接著，母細胞將其DNA副本傳遞給每一個子細胞，由此將遺傳信息代代相傳?？贫鞑癜l(fā)現(xiàn)pol Ⅰ能讀取完整的DNA鏈，并以之作為模板合成一條新鏈，后者與原DNA鏈完全相同——這個過程和復印機復制文件沒什么區(qū)別。2

不過，復印機在復制文件時是機械性的，它并不在乎文件的內容，與此不同的是，DNA聚合酶7個子類中的某些成員能夠校對原始DNA模板，偵查、移除并改正錯誤，從而生產出一條無誤的新DNA鏈，這其中就包括DNA聚合酶Ⅰ。其他的DNA聚合酶只能復制不能修復，因此它們能夠保留基因組中的突變，或是令細胞死亡。2

特性DNA聚合酶有多種，E.coli就有三種。通常DNA聚合酶具有以下共同特點：3

①需要DNA模板，因此這類酶又稱為依賴DNA的DNA聚合酶；3

②需要RNA或DNA作為引物(primer)，即DNA聚合酶不能從頭催化；3

③催化dNTP加到引物的3'-OH末端，其速率為1000nt/min，因而DNA合成的方向是5’到3'；3

④三種DNA聚合酶都屬于多功能酶，它們在DNA復制和修復過程的不同階段發(fā)揮作用。3

種類原核生物大腸桿菌DNA聚合酶DNA聚合酶最早在E.coli中發(fā)現(xiàn)，到目前為止已確定有5種類型，分別為DNA聚合酶Ⅰ、DNA聚合酶Ⅱ、DNA聚合酶Ⅲ、DNA聚合酶Ⅳ和DNA聚合酶V，都與DNA鏈的延長有關。4

其中DNA聚合酶I、Ⅱ、Ⅲ研究得比較明確。4

DNA聚合酶Ⅰ是1956年由Arthur Komberg在E.coli中首先發(fā)現(xiàn)，是一種多功能酶，有三個不同的活性中心：4

①5’一3’聚合酶活性催化DNA鏈的延伸，主要用于填補DNA上的空隙或是切除RNA引物后留下的空隙；4

②3’一5’外切酶活性能識別和切除DNA 3’端在聚合作用中錯誤配對的核苷酸，起到校讀作用；4

③5’一3’外切酶活性主要用于切除5’引物或受損傷的DNA。此酶缺陷的突變株仍能生存，表明DNA聚合酶I不是DNA復制的主要聚合酶。4

DNA聚合酶Ⅱ是一種多酶復合體，有5’—3’聚合酶活性中心和3’—5 ’外切酶活性中心，但沒有5 ’—3’外切酶活性中心。其催化5’—3’方向合成反應的活性只有DNA聚合酶Ⅰ的5%。因該酶缺陷的E.coli突變株的DNA復制都正常，所以也不是DNA復制的主要聚合酶，可能是在DNA的損傷修復中起到一定的作用。4

DNA聚合酶Ⅲ是一種多酶復合體，全酶由α、β、γ、δ、ε、θ、τ、χ和ψ中共10種亞基構成，其中α、ε和θ亞基構成全酶的核心。α亞基含5’—3’聚合酶活性中心，ε亞基含3’一5’外切酶活性中心，θ亞基可能起裝配作用，其他亞基各有不同作用。DNA聚合酶Ⅲ活性最高，在DNA復制鏈的延長上起著主導作用，是催化DNA復制合成的主要酶。4

DNA聚合酶Ⅳ和V發(fā)現(xiàn)于1999年，主要參與DNA修復。4

真核生物真核生物DNA聚合酶真核生物中已發(fā)現(xiàn)十幾種DNA聚合酶，常見的有α、β、γ、δ和ε五種，均具有5’—3’聚合酶活性。DNAα聚合酶僅負責合成引物，DNAδ聚合酶用于合成細胞核DNA，DNA聚合酶β和DNA聚合酶ε主要參與DNA損傷修復，DNA聚合酶τ用于線粒體DNA的合成。4

DNA聚合酶與復制的保真性DNA復制的保真性是遺傳信息穩(wěn)定傳代的保證。生物體至少有3種機制實現(xiàn)保真性：4

①遵守嚴格的堿基配對規(guī)律；4

②5’—3’聚合酶活性中心對底物的選擇，使核苷酸的錯配率僅為10-4~10-5；4

③3’—5’外切酶活性中心在復制出錯時的即時校對，使錯配率降至10-6~10-8。4

應用E.coli的DNA pol Ⅰ涉及DNA損傷修復，在半保留復制中起輔助的作用。DNA polⅡ在修復損傷中也具有重要的作用。DNA polⅢ是一種多亞基的蛋白質，在DNA新鏈的從頭合成中起復制酶的作用。3

復制的忠實性問題會影響到翻譯的精確性，這種忠實性主要依賴于堿基的特異性配對。據(jù)估計每個堿基對將有10-3。的概率會發(fā)生錯配，但實際的錯配率只有10-8~10-10，即每1000個細菌復制周期中，每個基因組只產生一次錯誤。DNA多聚酶能增加互補堿基的特異性，該特異性主要表現(xiàn)在以下兩方面：3

①能夠檢查進入的堿基是否和模板互補，這時通過一個匹配的化學特點加以識別，這是合成前的一種預防措施，稱為合成前( presynthetic)錯誤控制；3

②在新的堿基加到鏈上以后，檢查堿基是否配對。若發(fā)生錯配，將會把剛加上去的錯誤堿基切除掉，這是校正控制( proofreading)。3

細菌的三種DNA聚合酶都具有3 7硝’外切活性，逆DNA合成方向進行加工，提供校對功能。在鏈的延伸階段中，一個核苷酸進人生長鏈的末端，形成鍵，該酶就向前移一個堿基對，準備下一個堿基對的進入。若一個錯誤產生了，這個酶就向回退，切除最后加進來的這個堿基，產生一個位點，然后被正確的堿基取代。3

不同DNA多聚酶聚合和校正之間的關系是不同的。有時，這些活性是由相同的蛋白質亞基產生的，但有時它們又還有不同的亞基。一個錯誤堿基的排除實際上是十分復雜的，因為這種切除反應是由不同位點催化的。3

本詞條內容貢獻者為:

江松敏 - 副教授 - 復旦大學