Allgemeine Strukturbearbeiten
Pol I funktioniert hauptsächlich bei der Reparatur beschädigter DNA. Pol I ist Teil der Alpha / Beta-Protein-Superfamilie Proteinklasse, die aus Alpha- und Beta-Segmenten besteht, die über ein bestimmtes Protein verstreut sind. E. coli DNA Pol I besteht aus vier Domänen mit zwei getrennten enzymatischen Aktivitäten. Die vierte Domäne besteht aus einer Exonuklease, die das Produkt von DNA Pol I korrektur liest und in der Lage ist, alle von Pol I begangenen Fehler zu beseitigen.
E. coli-Bakterien enthalten 5 verschiedene DNA-Polymerasen: DNA Pol I, DNA Pol II, DNA Pol III, DNA Pol IV und DNA Pol V. Eukaryotische Zellen enthalten 5 verschiedene DNA-Polymerasen: α, β, γ, δ und ε. Die eukaryotische DNA-Polymerase β ist der E. coli-DNA Pol I am ähnlichsten, da ihre Hauptfunktion eher mit der DNA-Reparatur als mit der Replikation verbunden ist. DNA-Polymerase β wird hauptsächlich bei der Basenexzisionsreparatur und der Nukleotid-Exzisionsreparatur verwendet. Insgesamt wurden 15 humane DNA-Polymerasen identifiziert.
Strukturelle und funktionelle Ähnlichkeit mit anderen Polymerasenbearbeiten
Bei der DNA-Replikation wird der führende DNA-Strang kontinuierlich in Replikationsrichtung verlängert Gabelbewegung, während der DNA-Verzögerungsstrang diskontinuierlich in die entgegengesetzte Richtung als Okazaki-Fragmente verläuft. DNA-Polymerasen können auch keine DNA-Ketten initiieren, daher müssen sie durch kurze RNA- oder DNA-Segmente initiiert werden, die als Primer bekannt sind. Damit die DNA-Polymerisation stattfinden kann, müssen zwei Anforderungen erfüllt sein. Zunächst müssen alle DNA-Polymerasen sowohl einen Template- als auch einen Primerstrang aufweisen. Im Gegensatz zu RNA können DNA-Polymerasen DNA nicht aus einem Template-Strang synthetisieren. Die Synthese muss durch ein kurzes RNA-Segment initiiert werden, das als RNA-Primer bekannt ist und von Primase in 5 ‚bis 3′ -Richtung synthetisiert wird. Die DNA-Synthese erfolgt dann durch Addition eines dNTP an die 3′-Hydroxylgruppe am Ende des bereits vorhandenen DNA-Strangs oder RNA-Primers. Zweitens können DNA-Polymerasen dem bereits vorhandenen Strang nur durch Wasserstoffbrückenbindung neue Nukleotide hinzufügen. Da alle DNA-Polymerasen eine ähnliche Struktur haben, teilen sie alle einen Zweimetallionen-katalysierten Polymerase-Mechanismus. Eines der Metallionen aktiviert die Primer-3′-Hydroxylgruppe, die dann das primäre 5‘-Phosphat des dNTP angreift. Das zweite Metallion stabilisiert die negative Ladung des austretenden Sauerstoffs und chelatisiert anschließend die beiden austretenden Phosphatgruppen.
Die Röntgenstrukturen der Polymerasedomäne aller DNA-Polymerasen sollen denen der rechten Hand eines Menschen ähneln. Alle DNA-Polymerasen enthalten drei Domänen. Die erste Domäne, die als „Fingerdomäne“ bezeichnet wird, interagiert mit dem dNTP und der gepaarten Vorlagenbasis. Die „fingers Domain“ interagiert auch mit der Vorlage, um sie korrekt an der aktiven Site zu positionieren. Die zweite Domäne, die als „Palm-Domäne“ bekannt ist, katalysiert die Reaktion des Transfers der Phosphorylgruppe. Schließlich interagiert die dritte Domäne, die als „Daumendomäne“ bekannt ist, mit doppelsträngiger DNA. Die Exonukleasedomäne enthält eine eigene katalytische Stelle und entfernt falsch gepaarte Basen. Unter den sieben verschiedenen DNA-Polymerase-Familien ist die „Palm-Domäne“ in fünf dieser Familien konserviert. Die „Fingerdomäne“ und die „Daumendomäne“ sind aufgrund unterschiedlicher Sekundärstrukturelemente aus verschiedenen Sequenzen nicht in jeder Familie konsistent.
Funktionbearbeiten
Pol I besitzt vier enzymatische Aktivitäten:
- Eine 5’→3′ (vorwärts) DNA-abhängige DNA-Polymerase-Aktivität, die eine 3′-Primerstelle und einen Template-Strang erfordert
- Eine 3’→5′ (rückwärts) Exonuklease-Aktivität, die das Korrekturlesen vermittelt
- Eine 5’→3′ (vorwärts) Exonuklease-Aktivität, die die Nick-Translation während der DNA-Reparatur vermittelt.
- Eine 5’→3′ (vorwärts) RNA-abhängige DNA-Polymerase-Aktivität. Pol I arbeitet an RNA-Templates mit deutlich geringerer Effizienz (0,1–0,4%) als DNA-Templates, und diese Aktivität ist wahrscheinlich nur von begrenzter biologischer Bedeutung.
Um festzustellen, ob Pol I primär zur DNA-Replikation oder zur Reparatur von DNA-Schäden verwendet wurde, wurde ein Experiment mit einem defizitären Pol I-Mutantenstamm von E. coli durchgeführt. Der Mutantenstamm, dem Pol I fehlte, wurde isoliert und mit einem Mutagen behandelt. Der mutierte Stamm entwickelte Bakterienkolonien, die normal weiter wuchsen und denen auch Pol I fehlte. Der mutierte Stamm zeigte jedoch auch Eigenschaften, die eine extreme Empfindlichkeit gegenüber bestimmten Faktoren, die die DNA schädigten, wie UV-Licht, beinhalteten. Somit bestätigte dies, dass Pol I eher an der Reparatur von DNA-Schäden als an der DNA-Replikation beteiligt war.