什么是 DNA 聚合酶

DNA 聚合酶的發(fā)現(xiàn)之旅

DNA 聚合酶的主要功能

復(fù)制 —— 遺傳信息的傳遞接力

DNA 聚合酶的主要使命之一是在細(xì)胞分裂時(shí)，精確地復(fù)制原有的 DNA，從而確保遺傳信息能夠絲毫不差地傳遞給下一代細(xì)胞。在這個(gè)過程中，DNA 聚合酶如同精密的 “工匠”，它們成對(duì)工作，同時(shí)對(duì) DNA 的兩條鏈進(jìn)行復(fù)制。具體來說，DNA 聚合酶會(huì)在新生 DNA 鏈的 3′ - OH 端添加脫氧核苷酸，按照堿基互補(bǔ)配對(duì)原則，腺嘌呤（A）與胸腺嘧啶（T）配對(duì)，鳥嘌呤（G）與胞嘧啶（C）配對(duì)，使得 DNA 鏈以 5′→3′的方向不斷延伸。不過，DNA 聚合酶自身無法啟動(dòng)復(fù)制的 “開關(guān)”，需要有引物的存在，它才能開始添加核苷酸的工作。在原核生物中，DNA 聚合酶 III 擔(dān)當(dāng)起主要負(fù)責(zé)復(fù)制的重任；而在真核生物里，DNA 聚合酶 δ 則是復(fù)制工作的 “主力軍”。另外，DNA 聚合酶 I 也發(fā)揮著重要的輔助作用，它通過 5′→3′外切酶活性去除滯后鏈上的 RNA 引物，并利用聚合酶活性填補(bǔ)引物移除后留下的空隙。

修復(fù) —— 基因組的忠誠(chéng)衛(wèi)士

DNA 復(fù)制是一個(gè)復(fù)雜且龐大的工程，維持基因組的完整性不容有失。除了復(fù)制過程中可能出現(xiàn)的錯(cuò)誤，外界環(huán)境等因素也會(huì)導(dǎo)致 DNA 損傷，因此 DNA 修復(fù)是一個(gè)持續(xù)不停的過程。DNA 聚合酶在其中扮演著關(guān)鍵角色，通過一系列的機(jī)制來修正這些錯(cuò)誤和損傷。

校對(duì) —— 精準(zhǔn)復(fù)制的保障防線

DNA 復(fù)制雖然是一個(gè)高度精確的過程，大約每加入 10?到 10?個(gè)核苷酸就可能發(fā)生一次錯(cuò)誤。如果這些錯(cuò)誤得不到糾正，不正確的堿基配對(duì)可能會(huì)嚴(yán)重影響蛋白質(zhì)的正常功能，甚至可能引發(fā)癌癥等嚴(yán)重后果。此時(shí)，DNA 聚合酶的外切酶活性就發(fā)揮了重要作用。它能夠向后移動(dòng)一步，通過 3′→5′外切酶活性將錯(cuò)配的堿基移除，這個(gè)過程就叫做校對(duì)。此外，DNA 聚合酶還參與復(fù)制后修復(fù)過程以及跨損傷合成過程。在跨損傷合成過程中，即使面對(duì)未修復(fù)的 DNA 損傷區(qū)域，DNA 聚合酶也能 “想辦法” 跨越過去，使復(fù)制得以繼續(xù)進(jìn)行。

DNA 聚合酶在原核生物與真核生物中的差異

原核生物中的 DNA 聚合酶

1. DNA 聚合酶 I：由 polA 基因編碼，是由一條多肽鏈構(gòu)成的單體酶。它主要參與 DNA 的重組與修復(fù)工作，具備 5'→3' 和 3'→5' 兩個(gè)方向的外切酶活性。在 DNA 復(fù)制過程中，它利用 5'→3' 外切酶活性從滯后鏈中去除 RNA 引物，然后憑借聚合酶功能填補(bǔ)產(chǎn)生的空隙。

2. DNA 聚合酶 II：由 polB 基因編碼，由七個(gè)亞基構(gòu)成。它的主要職責(zé)是進(jìn)行 DNA 修復(fù)，同時(shí)也作為 DNA 聚合酶 III 的 “候補(bǔ)隊(duì)員”。它具有 3'→5' 外切酶活性，具備一定的校對(duì)能力，能夠在 DNA 修復(fù)過程中糾正一些錯(cuò)誤。

3. DNA 聚合酶 III：這是大腸桿菌中主要執(zhí)行 DNA 復(fù)制任務(wù)的 “核心成員”，由 polC 基因編碼。它具有最高的聚合速率與延展性，能高效地完成 DNA 復(fù)制工作。同時(shí)，它也具備 3'→5' 的校對(duì)功能，確保復(fù)制的準(zhǔn)確性。它由 13 個(gè)亞基組成，包含 9 種不同類型的亞基，其中兩個(gè)核心結(jié)構(gòu)域各由 α（執(zhí)行聚合酶功能）、ε（3'→5' 外切酶）和 θ 亞基構(gòu)成。此外，它還與一個(gè)由 τ?γδδ’構(gòu)成的裝夾復(fù)合體相連，χ 與 ψ 兩個(gè)亞基也附著于其中。β 亞基以二聚體的形式形成兩個(gè)滑動(dòng)夾環(huán)，顯著增強(qiáng)聚合酶的延展性，使其在復(fù)制過程中不會(huì)輕易脫離 DNA 模板。

4. DNA 聚合酶 IV：由 dinB 基因編碼，當(dāng)細(xì)胞遭遇 DNA 損傷、復(fù)制被阻斷時(shí)，它會(huì)啟動(dòng) SOS 修復(fù)反應(yīng)，負(fù)責(zé)進(jìn)行跨損傷合成，以繞過 DNA 模板中的損傷區(qū)域繼續(xù)合成 DNA。

5. DNA 聚合酶 V：由一個(gè) UmuC 單體和一個(gè) UmuD 二聚體構(gòu)成，同樣在 SOS 反應(yīng)期間發(fā)揮重要作用，參與受損 DNA 的容錯(cuò)性復(fù)制和修復(fù)。

真核生物中的 DNA 聚合酶

1. DNA 聚合酶 δ：作為真核生物中主要的 DNA 復(fù)制酶，它具有 3'→5' 外切酶活性，可用于校對(duì)，確保 DNA 復(fù)制的準(zhǔn)確性，對(duì)維持真核生物基因組的結(jié)構(gòu)完整性和遺傳穩(wěn)定性具有重要作用2。

2. DNA 聚合酶 α：其主要功能是合成引物。它的小亞基具有引物酶活性，而大亞基具有聚合酶活性。在 DNA 復(fù)制過程中，它為岡崎片段合成引物，然后由 DNA 聚合酶 δ 接著延長(zhǎng)引物，完成 DNA 的復(fù)制。

3. DNA 聚合酶 θ：主要功能是進(jìn)行 DNA 修復(fù)，并在滯后鏈上移除岡崎片段的引物，為 DNA 的準(zhǔn)確復(fù)制和修復(fù)提供保障。

4. DNA 聚合酶 γ：是真核生物中線粒體 DNA 的主要復(fù)制酶，負(fù)責(zé)線粒體 DNA 的復(fù)制工作，保障線粒體遺傳信息的穩(wěn)定傳遞。

特殊的 DNA 聚合酶 ——EG20101S - 抗體法熱啟動(dòng) Taq DNA 聚合酶

     EG20101S - 抗體法熱啟動(dòng) Taq DNA 聚合酶是一種經(jīng)過特殊修飾的 DNA 聚合酶。它使用單克隆抗體進(jìn)行修飾，在 55℃以下時(shí)，抗體可以有效地封閉 DNA 聚合酶的活性，就像給酶 “戴上了枷鎖”，使其無法隨意工作。而當(dāng)溫度升高到一定程度，抗體與酶發(fā)生不可逆解離，聚合酶就會(huì)恢復(fù)活性，“枷鎖” 被解開，開始正常工作。這種特性使得它能夠有效避免低溫下的非特異性擴(kuò)增，大大提高了 PCR 等實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性和可靠性。

不同類型的 DNA 聚合酶（英文名稱）

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