260px|bélyegkép|A humán DNS-polimeráz bétában lévő DNS-hez kötődő alakzatok 3D-szerkezete (készült a 7ICG jelű PDB fájl alapján) A DNS-polimerázok () a nukleozid-trifoszfátokból, a DNS prekurzoraiból történő dezoxiribonukleinsav-szintézist katalizáló enzimcsalád. Ezek az enzimek fontosak a DNS-replikációhoz, és általában csoportban működnek, hogy két azonos DNS-duplexet hozzon létre egy eredeti DNS-duplexből. E folyamat során a DNS-polimeráz „elolvassa” a meglévő DNS-szálakat, hogy a meglévőkkel egyező új szálakat hozzon létre. Ezek az enzimek a dezoxiribonukleozid-trifoszfát + n lánchosszú DNS → pirofoszfát + n+1 lánchosszú DNS
kémiai reakciót katalizálják. A DNS-polimerázok a DNS-szál 3’-végéhez adják egyesével a nukleotidokat. Minden alkalommal, mikor egy sejt osztódik, DNS-polimerázra van szükség a sejt DNS-ének megkettőzéséhez, hogy az eredeti DNS másolata átöröklődjék mindkét leánysejthez. Így öröklődik a genetikai információ generációról generációra.
A replikáció előtt a helikáz kilazítja a DNS-t szorosan kapcsolt alakjából a nukleobázisok közti hidrogénkötések felszakításával. Ez a kettős szálú DNS-t két DNS-szállá nyitja fel, amik így a fenti reakcióban templátként felhasználhatókká válnak.
Története 1956-ban Arthur Kornberg és munkatársai felfedezték az Escherichia coliban a DNS-polimeráz I-et (Pol I). A DNS-replikációs folyamatot úgy írták le, ahol a DNS-polimeráz egy DNS-templátszál bázisszekvenciáját másolja le. Kornbergnek 1959-ben odaítélték az orvostudományi Nobel-díjat ezért a munkáért. A DNS-polimeráz II-t Thomas Kornberg (Arthur Kornberg fia) és Malcolm E. Gefter fedezték fel 1970-ben a Pol I E. coli DNS-replikációs szerepében játszott szerepének kutatása közben. 3 további DNS-polimerázt találtak az E. coliban: az 1970-es években felfedezett DNS-polimeráz III-at, a DNS-polimeráz IV-et és az 1999-ben felfedezett DNS-polimeráz V-öt.
Funkció bélyegkép|DNS-polimeráz mozog a régi szálon a 3’-vég felől az 5’-vég felé, új szálat hozva létre az 5’-vég felől a 3’-vég felé. bélyegkép|200px|jobbra|DNS-polimeráz ellenőrző képességgel A DNS-polimeráz fő funkciója, hogy DNS-t hozzon létre annak alkotóelemeiből, a dezoxiribonukleotidokból. Ezzel szemben az RNS-polimerázok az RNS-t RNS-ből vagy DNS-ből származó ribonukleotidokból szintetizálják. A DNS-másolatok a nukleotidok az eredeti DNS-molekula szálain lévő bázisokhoz való párosításával jönnek létre. Ez a párosítás mindig azonos kombinációkkal jön létre: a citozin a guaninnal, a timin az adeninnel párosítható, két elkülönülő párt alkotva.
Új DNS szintézise közben a DNS-polimeráz csak az új szál 3’ végéhez adhat szabad nukleotidokat, ennek következménye az új szálnak az 5’-vég felől a 3’-vég felé történő elongációja.
Fontos megjegyezni, hogy az újonnan létrejövő szál iránya ellentétes azon iránnyal, amerre a DNS-polimeráz megy a meglévő szálon. Mivel a DNS-polimeráznak szabad 3’-OH-csoportra van szüksége a szintézis elindításához, csak egy irányba tud szintetizálni a meglévő nukleotidlánc 3’-végének meghosszabbításával. Ezért a DNS-polimeráz a meglévő szálon a 3’ vég felől az 5’ vég felé halad, és a leányszál az 5’ vég felől a 3’ vég felé jön létre. Ez a különbség teszi lehetővé, hogy a létrejövő kétszálú DNS két egymással ellentétes irányú szálból álljon.
A DNS-polimeráz működése nem teljesen tökéletes: az enzim mintegy egymilliárd másolt bázispáronként egyszer hibázik. Néhány DNS-polimeráz képes az újonnan létrehozott DNS hibáit kijavítani. Hibás bázispár észlelésekor a DNS-polimeráz egy bázispárral visszamegy. Az enzim 3’–5’ exonukleázaktivitása lehetővé teszi a bázis eltávolítását a hibás bázispárból. Ezután a polimeráz újra elhelyezheti a helyes bázist, és a replikáció folytatódhat tovább. Ez megőrzi a leánysejteknek továbbadandó eredeti DNS-szál integritását.
A hitelesség nagyon fontos a DNS-replikációban. A DNS-bázispárok hibái nem megfelelően működő fehérjékhez vagy rákhoz vezethetnek. Számos DNS-polimeráz tartalmaz exonukleázdomént, ami a bázispárok hibáinak észlelésében és a hibás nukleotid eltávolításában játszik szerepet, hogy az kicserélődjön a helyesre. A Watson–Crick-bázispárt jellemző alakzat és a kölcsönhatások járulnak hozzá elsősorban az észleléshez vagy a hibához. A hidrogénkötések a bázispárok kialakulásában és kölcsönhatásában fontos szerepet játszanak. A nem megfelelő bázis esetén megszűnő kölcsönhatás eltolja a templát kötésének egyensúlyát a polimerázról az exonukleázdoménre, továbbá egy nem megfelelő nukleotid beépítése a DNS-polimerizációban késést okoz. Ez a késés időt ad a DNS-nek, hogy a polimerázról az exonukleázra váltson. A különböző hibák különböző konformációs változások és kölcsönhatásvesztés okai. Egy purin:pirimidin hiba esetén a pirimidin eltolódik a nagy, a purin a kis nyílás felé. A DNS-polimeráz kötőhelyének alakjából eredően a sztérikus hatások a purin és a kis nyílásban lévő származékok közt alakulnak ki, és fontos van der Waals- és elektrosztatikus kölcsönhatások vesznek el a pirimidin által. A pirimidin:pirimidin és a purin:purin hibák kevésbé észlelhető változásokat eredményeznek, mert a bázisok a nagy nyílás felé tolódnak el, és kevesebb sztérikus gát tapasztalható. De míg a különböző hibák különböző sztérikus tulajdonságokat eredményeznek, a DNS-polimeráz képes egységesen észlelni és megkülönböztetni őket, és fenntartani a DNS-replikáció hitelességét. A DNS-polimerizáció fontos számos mutagenezis-folyamathoz, és gyakran használják a biotechnológiában.
Szerkezet Az ismert DNS-polimerázok szerkezete nem túl változatos, vagyis a katalitikus alegységek fajonként nagyon kevéssé térnek el, függetlenül a doménszerkezettől. A megőrzött struktúrák általában a sejt fontos, megváltoztathatatlan funkcióit jelzik, karbantartásuk evolúciós előnyöket jelent. A középső domén funkciója a foszforilcsoportok transzferének katalízise a foszforiltranszfer-reakcióban. A DNS a középső doménhez kapcsolódik, mikor az enzim aktív. E reakcióról úgy gondolják, hogy egy két fémionos mechanizmus katalizálja. Az egyik szélső domén a nukleozid-trifoszfátokat a templát nukleobázisához kapcsolja, a másik a DNS elhelyezkedésében, áthelyezésében és működésében játszhat szerepet.
Működés A DNS-polimeráz gyors katalízisét a működése okozza. A processzivitás a polimerszubsztrátú enzimek egyik jellemzője. A DNS-polimeráz esetén a processzivitás foka a templáthoz való kötődéskor hozzáadott nukleotidok átlagos számára utal. Az átlagos DNS-polimeráznak egy másodperc kell megtalálni és kötődni a primer-templát kapcsolathoz. Amint kapcsolódott, egy nem processzív DNS-polimeráz másodpercenként egy nukleotidot ad hozzá. A processzív DNS-polimerázok viszont másodpercenként több nukleotidot adnak hozzá, jelentősen megnövelve a DNS-szintézis sebességét. A processzivitás foka a DNS-szintézis rátájával arányos. A DNS-szintézis rátáját élő sejtben először egy T4 fág DNS-elongációs rátájaként határozták meg a fággal fertőzött E. coliban. 37 °C-on az exponenciális DNS-mennyiségnövekedés ideje alatt a ráta 749 nukleotid volt másodpercenként.
A DNS-polimeráz DNS-templáton való mozgásra való képessége lehetővé teszi a megnövekedett processzivitást. Jelentős processzivitásnövekedés van a replikációs villánál. Ezt a növekedést a DNS-polimeráz fehérjékkel való asszociációja segíti elő. Az asszociátumok többfehérjés, gyűrű alakú alegységek. Az ATP hidrolízisét felhasználva a csúszó asszociátumot betöltő fehérjék megnyitják az asszociátumok gyűrűs szerkezetét, ami lehetővé teszi a DNS-szálhoz való kötődést és a tőle való eloldást. Az asszociátummal való fehérje-fehérje kölcsönhatás megakadályozza a DNS-polimeráz diffúzióját a DNS-templáttól, így biztosítva, hogy az enzim egyazon primer-templát kapcsolathoz kötődik, és folytatja a replikációt. A DNS-polimeráz konformációt vált, megnövelve az asszociátumhoz való affinitást, mikor vele van asszociálva, és csökkentve az affinitást, mikor egy DNS-szakasz replikációjával kész, hogy az asszociátumtól eloldja.
Szekvenciahomológia alapján a DNS-polimerázokat hét különböző családba osztják: A, B, C, D, X, Y és RT.
Néhány vírus különleges DNS-polimerázokat is kódol, mint amilyen a Hepatitis B vírus DNS-polimeráz. Ezek szelektíven replikálhatják a vírus-DNS-t különböző mechanizmusok által. A retrovírusok a reverz transzkriptázzal, egy RNS-dependens DNS-polimerázzal sokszorozzák DNS-üket, ami azt jelenti, hogy a DNS-t RNS-templátból polimerizálják.
Család DNS-polimeráz-típusok Taxonok Példák JellemzőkAreplikatív és javító polimerázokeukarióta és prokarióta T7 DNS-polimeráz, Pol I, Pol γ, θ és νkét exonukleázdomén (3’-5’ és 5’-3’)Breplikatív és javító polimerázokeukarióta és prokariótaPol II, Pol B, Pol ζ, Pol α, δ és ε3’-5’ exonukleáz (javító funkció); a virálisak fehérjeprimert használnakCreplikatív polimerázokprokariótaPol III3’-5’ exonukleáz (javító funkció)Dreplikatív polimerázokEuryarchaeotaPolD (DP1/DP2 heterodimer)Nincs kézszerű képlet; RNS-polimeráz-szerű; 3’-5’-exonukleáz (javító funkció)Xreplikatív és javító polimerázokeukariótaPol β, Pol σ, Pol λ, Pol μ és terminális dezoxinukleotidiltranszferázopcionális templát; 5’-foszfatáz (csak a Pol β esetén); gyenge kézszerű képletYreplikatív és javító polimerázokeukarióta és prokariótaPol ι, Pol κ, Pol η, Pol IV és Pol Vtranszléziós szintézisRTreplikatív és javító polimerázokvírusok, retrovírusok és eukarióták telomeráz, Hepatitis B-vírusRNS-dependens
Prokarióta polimerázok A prokarióta polimerázoknak két fajtájuk van: a magpolimeráz és a holoenzim. A magpolimeráz a DNS-t a templátból szintetizálja, de nem képes egyedül vagy pontosan elindítani a szintézist. A holoenzim pontosan képes elindítani a szintézist. Pol I Az A családba tartozó polimerázok közé tartozik a DNS-polimeráz I (Pol I) enzim, amit a polA gén kódol, és gyakori a prokarióták közt. Ez a javító polimeráz a báziskivágásos javításban vesz részt, mind 3’–5’, mind 5’–3’ exonukleáz-aktivitással, és a szálszintézis során keletkező Okazaki-fragmentumok feldolgozásával. A Pol I a leggyakoribb polimeráz, az E. coliban a polimerázaktivitás több mint 95%-át adja, mégis ismertek Pol I nélküli sejtek, tehát feltételezhető, hogy a Pol I funkcióit pótolhatja a másik négy polimeráz. A Pol I 15-20 nukleotidot ad a primerhez másodpercenként, ami alacsony processzivitást jelent. Viszont a Pol I a nukleotidokat az RNS primer:templát kapcsolathoz adja, aminek a neve replikációs origó. Körülbelül 400 bázispárral az origó alatt létrejön a Pol III holoenzim, és nagy sebességgel folytatja a replikációt.
A Taq polimeráz ennek a családnak egy hőálló tagja, ami nem képes hibajavításra.
Pol II
A DNS-polimeráz II a B családba tartozó polimeráz, amit a polB gén kódol. A Pol II 3’-5’-exonukleáz-aktivitással rendelkezik, a DNS-javításban, a replikáció újraindításában játszik szerepet a sérülések elkerülésére. Jelenléte a sejtben megnőhet sejtenként 30-50 másolatról 200-300-ra SOS-indukció esetén. A Pol II feltételezések szerint a Pol III helyettesítője, mert holoenzim-fehérjékre képes hatni, és magas a processzivitása. A Pol II fő szerepe feltehetően a polimerázaktivitás replikációs villa felé történő irányítása és a megakadt Pol III nem megfelelő terminális párosításainak átlépésének segítése.
A Pfu DNS-polimeráz e család egy hőálló tagja, ami a Pyrococcus furiosus archeában található meg.InterPro protein view: P61875 A részletes osztályozás az archeákban található B családot B1-re, B2-re és B3-ra osztja, ahol a B2 pszeudoenzimek csoportja. A Pfu a B3 család tagja. Az archeákban található további PolB-k a „kaszpozonok” (Cas1-dependens transzpozonok) részei. Néhány vírus és mitokondriális plazmid szintén polB-t hordoz.
Pol III