[科普中国]-DNA聚合酶

DNA聚合酶，又称DNA依赖的DNA聚合酶（DNA—dependent DNA polymerase，DNA pol），它是以亲代DNA为模板，催化底物dNTP分子聚合形成子代DNA的一类酶。此酶最早是美国科学家Arthur Komberg于1957年在大肠杆菌中发现的，被称为DNA聚合酶Ⅰ（DNA polymerase Ⅰ，简称polⅠ）以后陆续在其他原核生物及真核生物中找到了多种DNA聚合酶。这些DNA聚合酶的共同特征为：①具有5’→3’聚合酶活性，这就决定了DNA只能沿着5’→3’方向合成；②需要引物，DNA聚合酶不能催化DNA新链从头合成，只能催化dNTP加入核苷酸链的3'-OH末端。因而复制之初需要一段DNA引物的3’一OH端为起点，合成5’→3’方向的新链。1

历史1953年，沃森和克里克发表了经典论文，描述DNA的化学结构，而一些科学家对它的重要性提出了最初的质疑。两人在论文中提出，DNA的复制原理仍有待确定。当时，美国生物化学家阿瑟·科恩伯格正在密苏里州圣路易斯市的华盛顿大学微生物学系工作，他认可了这篇论文的重要意义。由此，他开始对机体合成核酸的过程产生了兴趣，尤其是合成DNA。他在这些研究中使用的是相对简单的大肠杆菌，1956年，他发现了装配DNA基本单位的酶。这种酶被称为DNA聚合酶Ⅰ，它以几种不同的变体出现在所有的生物体中。科恩伯格在论文中描述了这些发现，他的论文起初不免遭拒，但之后于1957年被著名的《生物化学期刊》接受并发表。1959年，因为确定了“DNA的生物合成机制”，他成为诺贝尔奖的共同获得者之一。2

DNA聚合酶Ⅰ(pol Ⅰ)的发现对生物学研究有着非常重要的意义，因为它在生命过程中起着核心作用，令我们认识到DNA如何进行复制与修复。在细胞分裂之前，pol Ⅰ会复制细胞DNA的所有成分。接着，母细胞将其DNA副本传递给每一个子细胞，由此将遗传信息代代相传。科恩伯格发现pol Ⅰ能读取完整的DNA链，并以之作为模板合成一条新链，后者与原DNA链完全相同——这个过程和复印机复制文件没什么区别。2

不过，复印机在复制文件时是机械性的，它并不在乎文件的内容，与此不同的是，DNA聚合酶7个子类中的某些成员能够校对原始DNA模板，侦查、移除并改正错误，从而生产出一条无误的新DNA链，这其中就包括DNA聚合酶Ⅰ。其他的DNA聚合酶只能复制不能修复，因此它们能够保留基因组中的突变，或是令细胞死亡。2

特性DNA聚合酶有多种，E.coli就有三种。通常DNA聚合酶具有以下共同特点：3

①需要DNA模板，因此这类酶又称为依赖DNA的DNA聚合酶；3

②需要RNA或DNA作为引物(primer)，即DNA聚合酶不能从头催化；3

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

④三种DNA聚合酶都属于多功能酶，它们在DNA复制和修复过程的不同阶段发挥作用。3

种类原核生物大肠杆菌DNA聚合酶DNA聚合酶最早在E.coli中发现，到目前为止已确定有5种类型，分别为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，都与DNA链的延长有关。4

其中DNA聚合酶I、Ⅱ、Ⅲ研究得比较明确。4

DNA聚合酶Ⅰ是1956年由Arthur Komberg在E.coli中首先发现，是一种多功能酶，有三个不同的活性中心：4

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

②3’一5’外切酶活性能识别和切除DNA 3’端在聚合作用中错误配对的核苷酸，起到校读作用；4

③5’一3’外切酶活性主要用于切除5’引物或受损伤的DNA。此酶缺陷的突变株仍能生存，表明DNA聚合酶I不是DNA复制的主要聚合酶。4

DNA聚合酶Ⅱ是一种多酶复合体，有5’—3’聚合酶活性中心和3’—5 ’外切酶活性中心，但没有5 ’—3’外切酶活性中心。其催化5’—3’方向合成反应的活性只有DNA聚合酶Ⅰ的5%。因该酶缺陷的E.coli突变株的DNA复制都正常，所以也不是DNA复制的主要聚合酶，可能是在DNA的损伤修复中起到一定的作用。4

DNA聚合酶Ⅲ是一种多酶复合体，全酶由α、β、γ、δ、ε、θ、τ、χ和ψ中共10种亚基构成，其中α、ε和θ亚基构成全酶的核心。α亚基含5’—3’聚合酶活性中心，ε亚基含3’一5’外切酶活性中心，θ亚基可能起装配作用，其他亚基各有不同作用。DNA聚合酶Ⅲ活性最高，在DNA复制链的延长上起着主导作用，是催化DNA复制合成的主要酶。4

DNA聚合酶Ⅳ和V发现于1999年，主要参与DNA修复。4

真核生物真核生物DNA聚合酶真核生物中已发现十几种DNA聚合酶，常见的有α、β、γ、δ和ε五种，均具有5’—3’聚合酶活性。DNAα聚合酶仅负责合成引物，DNAδ聚合酶用于合成细胞核DNA，DNA聚合酶β和DNA聚合酶ε主要参与DNA损伤修复，DNA聚合酶τ用于线粒体DNA的合成。4

DNA聚合酶与复制的保真性DNA复制的保真性是遗传信息稳定传代的保证。生物体至少有3种机制实现保真性：4

①遵守严格的碱基配对规律；4

②5’—3’聚合酶活性中心对底物的选择，使核苷酸的错配率仅为10-4~10-5；4

③3’—5’外切酶活性中心在复制出错时的即时校对，使错配率降至10-6~10-8。4

应用E.coli的DNA pol Ⅰ涉及DNA损伤修复，在半保留复制中起辅助的作用。DNA polⅡ在修复损伤中也具有重要的作用。DNA polⅢ是一种多亚基的蛋白质，在DNA新链的从头合成中起复制酶的作用。3

复制的忠实性问题会影响到翻译的精确性，这种忠实性主要依赖于碱基的特异性配对。据估计每个碱基对将有10-3。的概率会发生错配，但实际的错配率只有10-8~10-10，即每1000个细菌复制周期中，每个基因组只产生一次错误。DNA多聚酶能增加互补碱基的特异性，该特异性主要表现在以下两方面：3

①能够检查进入的碱基是否和模板互补，这时通过一个匹配的化学特点加以识别，这是合成前的一种预防措施，称为合成前( presynthetic)错误控制；3

②在新的碱基加到链上以后，检查碱基是否配对。若发生错配，将会把刚加上去的错误碱基切除掉，这是校正控制( proofreading)。3

细菌的三种DNA聚合酶都具有3 7硝’外切活性，逆DNA合成方向进行加工，提供校对功能。在链的延伸阶段中，一个核苷酸进人生长链的末端，形成键，该酶就向前移一个碱基对，准备下一个碱基对的进入。若一个错误产生了，这个酶就向回退，切除最后加进来的这个碱基，产生一个位点，然后被正确的碱基取代。3

不同DNA多聚酶聚合和校正之间的关系是不同的。有时，这些活性是由相同的蛋白质亚基产生的，但有时它们又还有不同的亚基。一个错误碱基的排除实际上是十分复杂的，因为这种切除反应是由不同位点催化的。3

本词条内容贡献者为:

江松敏 - 副教授 - 复旦大学