اطلاعات عمومی
DNA پلیمراز چیست؟
DNA پلیمرازها (DNA polymerases) گروهی از آنزیم‌های مورد نیاز برای سنتز DNA هستند. Arthur Kornberg برای اولین بار DNA پلیمراز را در باکتری E.coli (اشریشیا کُلی) کشف و مشخص کرد. این آنزیم یک پلی‌پپتید تک‌زنجیرهای (single-chain polypeptide) است که با نام DNAپلیمراز-I شناخته میشود. اکنون دانشمندان پنج DNA پلیمراز را در E.coli یافته‌اند.
تعریف DNA پلیمراز
DNA پلیمرازها گروهی از آنزیم‌ها هستند که سنتز DNA را طی فرایند همانندسازی کاتالیز میکنند.
کارکرد اصلی DNAپلیمرازها، تکثیر محتوای DNA یک سلول در طول تقسیم سلولی است. آنها این کار را با افزودن نوکلئوتیدها (Nucleotide) به گروه 3ʹ-OH از رشته DNA در حال رشد، انجام میدهند.
کارکردهای DNA پلیمراز
همانندسازی (Replication)
وظیفه اصلی DNAپلیمراز سنتز DNA از طریق فرآیند همانندسازی است. نگهداری و انتقال اطلاعات ژنتیکی از نسلی به نسل دیگر فرآیند مهمی است. DNA پلیمراز به صورت جفت کار میکند و دو رشته DNA را پشت سر هم تکثیر میکند. آنها دئوکسی ریبونوکلئوتیدها (Deoxyribonucleotide) را به گروه 3′-OH رشته DNA در حال رشد اضافه میکنند. رشته DNA با خاصیت polymerisation activity خود در جهت 5’→3’ رشد میکند. آدنین با تیمین، و گوانین با سیتوزین جفت میشوند. DNAپلیمرازها قادر به آغاز فرآیند همانندسازی نمی‌باشند و برای افزودن نوکلئوتیدها به پرایمر نیاز دارند.
DNAپلیمراز III آنزیم اصلی مسئول همانندسازی در پروکاریوت‌ها (Prokaryotes) است. در یوکاریوتها (Eukaryotes)، DNA پلیمراز (delta) δ آنزیم اصلی برای همانندسازی است.
DNAپلیمراز I پرایمر RNA را با خاصیت exonuclease activity در جهت 5’→3’ حذف میکند و با خاصیت polymerase activity خود در رشته پیرو، پرایمر را جایگزین میکند.
ترمیم (Repair)
فرآیند تکثیر به دلیل اهمیت حفظ یکپارچگی ژنوم، یک کار سنگین است. جدای از خطاهای همانندسازی، ترمیم DNA فرآیندی مداوم برای اصلاح هر گونه خطا در ژنوم ناشی از آسیب DNA است. مکانیسم‌های مختلفی جهت ترمیم DNA وجود دارد.
تصحیح (Proofreading)
همانندسازی DNA بی نقص نبوده و پس از اضافه شدن هر 104 تا 105 نوکلئوتید، خطایی رخ می‌دهد. در زمینه عملکرد پروتئین‌ها، حذف توالی نوکلئوتیدی نادرست یا نوکلئوتیدهای نامنطبق از رشته جدیداً سنتز شده، بسیار مهم است که حتی می‌تواند منجر به سرطان شود.
DNA پلیمرازها جفت‌های نادرست را با خاصیت exonuclease activity حذف میکنند. DNAپلیمرازها همچنین یک قدم به عقب حرکت کرده و جفت نامنطبق را با خاصیت exonuclease activity در جهت 5’→3’ حذف میکنند. این فرایند به عنوان تصحیح شناخته میشود.
DNA پلیمرازها همچنین در فرآیندهای ترمیم DNA پس از همانندسازی و همچنین در سنتز ترانسلسیون (Translesion synthesis (TLS)) که توسط DNAپلیمراز، قسمت ترمیم نشده DNA را به عنوان مانع پیشرفت همانندسازی کپی میکند، دخیل هستند.
بیایید در مورد انواع مختلف DNA پلیمرازها و کارکردهای آنها با جزئیات بیشتر بیاموزیم.
ساختار و انواع DNA پلیمرازها
ساختار بیشتر DNAپلیمرازها شبیه دستی است که محل‌های فعال را نگه می‌دارد. بخش فعال آنزیم دارای دو قسمت است: محل الصاق و محل پس از الصاق. در محل الصاق نوکلئوتیدها اضافه میشوند. پس از افزودن نوکلئوتیدها، جفت پایه جدیداً تشکیل شده به محل پس از الصاق مهاجرت میکنند.
انواع DNA پلیمراز پروکاریوتی و کارکردهای آنها
پنج نوع DNAپلیمراز در E.coli شناسایی شده است. همه DNAپلیمرازها از نظر ساختار، کارکردها و سرعت پلیمریزاسیون (Polymerization) و فرآیندی، متفاوت هستند.
DNAپلیمراز I توسط ژن polA کدگذاری میشود که یک پلی‌پپتید منفرد است و در نوترکیبی و ترمیم نقش دارد. دارای خاصیت exonuclease activity در جهت 5’→3’ و 5’→3’ است. DNA پلیمراز I پرایمر RNA را با خاصیت exonuclease activity در جهت 5’→3’ از رشته پیرو حذف میکند و همچنین شکاف را پر میکند.
DNA پلیمراز II توسط ژن polB کدگذاری میشود و از 7 زیر واحد تشکیل شده است. نقش اصلی آن ترمیم و همچنین بکاپ گیری از DNA پلیمراز III است و دارای خاصیت exonuclease activity در جهت 5’→3’ میباشد.
DNA پلیمراز III آنزیم اصلی همانندسازی در باکتری E.coli است و توسط ژن polC کدگذاری میشود. نرخ پلیمریزاسیون و فرآیند پذیری در DNA پلیمراز III نسبت به انواع دیگر DNA پلیمراز، بیشینه است. همچنین دارای خاصیت exonuclease activity در جهت 5’→3’ تصحیح است.
DNA پلیمراز III مربوط به باکتری E.coli در مجموع از 13 زیر واحد تشکیل شده که شامل 9 نوع مختلف زیر واحد است.
DNA پلیمراز III شامل دو حوزه اصلی است که از زیر واحدهای α، و θ تشکیل شده است. به پروتئین‌های کمپلکس γ یا کمپلکس بارگیری گیره (clamp loading complex) متصل است که از پنج زیر واحد τ2γδδ’ تشکیل شده است. زیر واحدهای اضافی χ و ψ به کمپلکس بارگیری گیره متصل میشوند. زیر واحدهای β هر کدام دو گیره با دایمر (dimer) می‌سازند. این زیر واحدها فرآیندپذیری DNAپلیمراز III را افزایش میدهند.
DNAپلیمراز IV توسط ژن dinB کدگذاری میشود و نقش اصلی آن در ترمیم DNA طی پاسخ SOS و زمانی که همانندسازی DNA در دوشاخه همانندسازی (replication fork) متوقف میشود، میباشد. DNAپلیمرازهای II، IV و V پلیمرازهای ترانسلسیون هستند.
DNAپلیمراز V همچنین در سنتز ترانسلسیون طی پاسخ SOS و ترمیم DNA نقش دارد و از مونومر UmuC و دایمر UmuD تشکیل شده است.
انواع DNA پلیمراز یوکاریوتی و کارکردهای آنها
مانند سلول‌های پروکاریوتی، سلول‌های یوکاریوتی نیز DNA پلیمرازهای زیادی دارند که اعمال مختلفی را اجرا میکنند. به عنوان مثال می‌توان به همانندسازی DNA میتوکندری، همانندسازی DNA هسته‌ای و غیره اشاره کرد. همانندسازی DNA هسته‌ای عمدتاً توسط DNA پلیمرازهای δ و α انجام میشود. حداقل پانزده DNA پلیمراز در بدن انسان وجود دارد.
DNA پلیمراز δ: آنزیم اصلی برای همانندسازی در یوکاریوتها میباشد. همچنین دارای خاصیت exonuclease activity در جهت 5’→3’ برای تصحیح است.
DNA پلیمراز α: وظیفه اصلی آن سنتز پرایمرها است. زیر واحد کوچکتر دارای خاصیت primase activity و بزرگترین زیر واحد دارای خاصیت polymerization activity است. DNAپلیمراز α یک پرایمر برای قطعات اوکازاکی (Okazaki fragments) تشکیل می‌دهد که بعدا توسط DNAپلیمراز δ گسترش می‌یابد.
DNA پلیمراز ∋: عملکرد اصلی آن ترمیم DNA است. همچنین پرایمرهای قطعات اوکازاکی را از رشته پیرو حذف میکند.
DNA پلیمراز γ: آنزیم اصلی همانندساز در DNA میتوکندری است.
DNA پلیمراز چگونه کار میکند؟
این واکنش به صورت انتقال گروه فسفریل میباشد. گروه 3’-OH از رشته در حال رشد، به عنوان یک نوکلئوفیل (Nucleophile) عمل کرده و به تری فسفات دئوکسی ریبونوکلئوزید (Deoxyribonucleoside triphosphate) ورودی در α-فسفر حمله میکند و منجر به تشکیل پیوند فسفودی‌استر (Phosphodiester bond) میشود. در این واکنش فسفات غیر آلی آزاد میشود.
(dNMP)n + dNTP → (dNMP)n+1 + PPi
تمام DNA پلیمرازها به دو یون منیزیم در بخش فعال نیاز دارند. توجه به این نکته مهم است که DNAپلیمرازها فقط میتوانند نوکلئوتیدها را به انتهای 3’ رشته در حال رشد اضافه کنند، به همین دلیل است که همانندسازی همیشه در جهت 5’→3’ اتفاق می‌افتد. همچنین آنها نمی‌توانند تشکیل DNA جدید را آغاز کنند.
DNA پلیمرازها به یک رشته الگو نیاز دارند که واکنش پلیمریزاسیون را هدایت کند. آنها همچنین به یک پرایمر برای انجام واکنش خود نیاز دارند زیرا فقط میتوانند نوکلئوتیدها را به گروه 3’ OH اضافه کنند. پرایمر می‌تواند بخش کوتاهی از RNA، DNA یا هر دو باشد. به طور کلی، پرایمر یک RNA الیگونوکلئوتید (Oligonucleotide) در یک سیستم زنده است.
پس از افزودن یک نوکلئوتید، DNAپلیمراز می‌تواند برای افزودن نوکلئوتیدهای بیشتر جدا شود یا حرکت کند. این قابلیت به فرآیند پذیری DNAپلیمراز بستگی دارد و در DNAپلیمرازهای مختلف متفاوت است.
همانند سازی فرآیند بسیار دقیقی است و حتی تغییر در یک نوکلئوتید می‌تواند باعث جهش شود. برای جلوگیری از این امر، دو مکانیسم وجود دارد که توسط آنها DNAپلیمرازها از عدم وجود اختلاف، اطمینان حاصل میکنند.
- هندسه مکان‌های فعال که فقط به جفت‌های باز نوکلئوتیدی صحیح اجازه می‌دهد تا اضافه شوند. اما این کافی نیست و مشاهده شده که پس از افزودن صحیح 104 تا 105 نوکلئوتید، یک نوکلئوتید نادرست می‌تواند اضافه شود.
- برای اصلاح این نوع خطاها، DNAپلیمراز دارای خاصیت exonuclease activity در جهت 5’→3’ است. DNAپلیمراز هر یک از نوکلئوتیدهای اضافه شده را بررسی میکند و در صورت عدم تطابق نوکلئوتید را حذف میکند. این فرایند تحت عنوان تصحیح شناخته میشود. در DNAپلیمراز I، مکان‌های فعال مختلفی برای اجرای کارکردهای پلیمریزاسیون و تصحیح وجود دارد.
سوالات متداول
نقش DNA پلیمراز چیست؟
وظیفه اصلی DNAپلیمراز سنتز DNA از طریق فرآیند همانندسازی است. دئوکسیریبونوکلئوتیدها را به گروه 3′-OH رشته DNA در حال رشد، اضافه میکند و رشته جدید را در جهت 5’→3’ سنتز میکند.
DNAپلیمرازهای مختلف هر کدام کارهای خاصی را انجام میدهند. در پروکاریوت‌ها، DNAپلیمراز III آنزیم اصلی جهت همانندسازی است. DNAپلیمراز I و II در ترمیم، حذف پرایمر و پر کردن شکاف‌ها نقش دارند. در یوکاریوتها، DNAپلیمراز δ آنزیم اصلی برای همانندسازی است. سایر DNAپلیمرازها در ترمیم، تصحیح و حذف پرایمر نقش دارند.
3 وظیفه اصلی DNA پلیمراز چیست؟
وظیفه اصلی DNAپلیمراز تکثیر و تشکیل رشته‌های جدید DNA و ترمیم هرگونه عدم تطابق یا آسیب در DNA است. هر بار که یک سلول تقسیم میشود، DNAپلیمراز محتوای DNA سلولی را تکثیر میکند به طوری که توزیع یکسانی از DNA در سلول‌های دختر (Daughter cell) موجود باشد. سه وظیفه اصلی DNAپلیمراز عبارتند از:
- Polymerisation در جهت 5’→3’ که برای همانندسازی و افزودن نوکلئوتیدها در گروه 3′-OH از رشته DNA در حال رشد و پر کردن شکاف‌ها لازم است.
- Exonuclease در جهت 5’→3’ که برای تصحیح لازم است و DNAپلیمراز هر نوکلئوتیدی که بطور ناصحیح اضافه شده را در حین تکثیر حذف میکند.
- Exonuclease در جهت 5’→3’ که مسئول حذف پرایمرهای RNA و ترمیم است.
انواع DNA پلیمراز چیست؟
انواع مختلفی از DNAپلیمرازها در پروکاریوت‌ها و یوکاریوتها شناسایی شده است که در زیر آورده شده است:
- پروکاریوت‌ها شامل پنج DNAپلیمراز مختلف هستند که با اعداد یونانی از I تا V نامگذاری شده‌اند.
DNAپلیمراز III – آنزیم اصلی مسئول همانندسازی است. سایر DNAپلیمرازها در ترمیم، حذف، پرایمر، تصحیح و سنتز Translesion شرکت میکنند.
- یوکاریوتها هم شامل انواع مختلفی از DNAپلیمراز هستند.
DNA پلیمراز δ و α که DNA پلیمرازهای اصلی برای همانندسازی هسته‌ای هستند.
DNA پلیمراز γ که در همانندسازی DNA میتوکندریایی نقش دارد.
DNA پلیمراز ∋ که وظیفه اصلی آن ترمیم DNA است. همچنین پرایمر را از قطعات اوکازاکی حذف میکند.
کدام DNA پلیمراز در همانندسازی DNA استفاده میشود؟
DNAپلیمراز III در فرآیند همانندسازی در سلول‌های پروکاریوتی استفاده میشود و DNAپلیمراز δ آنزیم اصلی برای همانندسازی در سلول‌های یوکاریوتی است.
تفاوت بین DNA پلیمراز و RNA پلیمراز چیست؟
DNAپلیمراز، DNA را طی فرایند همانندسازی سنتز میکند، اما RNA پلیمراز طی فرایند رونویسی (Transcription) RNA را سنتز میکند.
آیا DNA پلیمراز به پرایمر نیاز دارد؟
بله، DNAپلیمراز به یک پرایمر نیاز دارد تا بتواند یک نوکلئوتید را به گروه 3′-OH از یک رشته DNA اضافه کند. DNAپلیمرازها نمی‌توانند فرآیند همانندسازی را آغاز کنند و برای افزودن نوکلئوتیدها به پرایمر نیاز دارند.
تفاوت بین DNA پلیمراز I و III چیست؟
DNAپلیمراز III آنزیم اصلی است که پلیمریزاسیون در جهت 5’→3’ از رشته DNA را در طول همانندسازی کاتالیز میکند. همچنین دارای خاصیت exonuclease activity در جهت 5’→3’ برای تصحیح است. در حالی که DNAپلیمراز I آنزیم اصلی برای ترمیم، حذف پرایمرها و پر کردن شکاف در رشته پیرو است. جدا از پلیمریزاسیون و خاصیت exonuclease activity در جهت 5’→3’، این آنزیم مانند DNAپلیمراز 3، خاصیت exonuclease activity در جهت 5’→3’ نیز دارد.
برای مطالعات بیشتر به ویکی‌ژن ما مراجعه کنید
مترجم: فاطمه فریادرس
