آنزیم های DNA پلیمراز

تکثیر DNA برای انتقال اطلاعات ژنتیکی از والدین به فرزندان ضروری است. این امر توسط آنزیم خاصی به نام DNA پلیمراز تسهیل می شود. DNAپلیمراز را می توان به عنوان آنزیمی تعریف کرد که سنتز DNA مکمل به  DNA  موجود در سلول های زنده را کاتالیز می کند. این آنزیم برای اولین بار در باکتری E Coli توسط آرتور کورنبرگ در سال 1955 کشف شد. تکثیر و نگهداری DNA  عمدتاً توسط DNA  پلیمرازها در سلول کنترل می شود. کشف DNA پلیمرازها نقش بسیار پررنگی در تکنیک های زیست شناسی مولکولی دارد. آنزیم های DNA  پلیمراز جهت سنتز رشته‌های DNA جدید ، مشابه DNA اصلی موجودات از نوکلئوتیدها در طی بسیاری از تکنیک‌های بیولوژیکی مولکولی کاربرد دارد. از جمله این تکنیک ها می توان به موارد زیر اشاره کرد:  PCR، شبیه ‌سازی ژن ، توالی‌یابی ژن ، تشخیص بیماری ، ژن درمانی ، تجزیه و تحلیل پلی‌مورفیسم و ​​غیره .

آنزیم های DNA پلیمراز در اشکال مختلفی در یوکاریوت ها و پروکاریوت ها وجود دارند که از نظر شکل و اندازه با یکدیگر متفاوت هستند. آن ها به چندین خانواده تعلق دارند: A ، B ، C ، D ، X ، Y و همچنین RT. Prokaryotic DNA polymerases  و به پنج دسته مختلف به نام های DNA پلیمراز 1 ، DNA پلیمراز 2 ، DNA پلیمراز 3 ، DNA پلیمراز 4 و DNA پلیمراز 5 ، گروه بندی می شوند. هم چنین ، موجودات یوکاریوتی تقریباً پانزده DNA پلیمراز مختلف دارند که عبارتند از: پلیمراز β ، λ ،  σ ،  μ ، α ،  δ ، ε ، η ،  ι ، κ ، Rev1 ،  ζ ، γ ، θ و ν.

آنزیم های DNA پلیمراز 1 ، 2 و 3 فقط در موجودات پروکاریوتی یافت می شوند و نقش های متفاوتی در همانندسازی DNA ایفا می کنند. تفاوت اصلی بین DNA پلیمراز 1 ، 2 و 3 عمدتاً به عملکرد اصلی هر آنزیم بستگی دارد. به طور کلی ، DNA پلیمراز 3 آنزیم اصلی می باشد که سنتز DNA را کاتالیز می کند ، در حالی که DNA پلیمراز 1 و 2 در ترمیم و تصحیح DNA نقش دارند. سنتز DNA جدید توسط DNA پلیمراز، از انتهای ’3 شروع می شود و با افزودن نوکلئوتیدها در یک زمان ، به عنوان مکمل DNA الگو ، سنتز را به سمت انتهای ’5 هدایت می کند. آنزیم DNA پلیمراز برای شروع سنتز زنجیره به یک گروه ’3-OH که از قبل موجود است ، نیاز دارد و توسط قطعه کوچک DNA یا RNA به نام پرایمر تسهیل می شود. آنزیم DNA پلیمراز با خواندن DNA الگو ، از انتهای ’3 به انتهای ’5 حرکت کرده و یک رشته DNA جدید ’3-’5  می سازد.

عملکرد آنزیم DNA پلیمراز:

  • همانند سازی (Replication)

وظیفه اصلی DNA پلیمراز سنتز DNA از طریق فرآیند همانندسازی است. نگهداری و انتقال اطلاعات ژنتیکی از نسلی به نسل دیگر فرآیند مهمی است. آنزیم DNA پلیمراز به صورت جفت کار می کند و دو رشته DNA را پشت سر هم تکثیر می کند. آن ها دئوکسی ریبونوکلئوتیدها را به گروه ’OH-3 رشته DNA در حال رشد اضافه می کنند. رشته DNA با فعالیت پلیمریزاسیون خود در جهت ’3 → ’5 رشد می کند. آدنین با تیمین و گوانین با سیتوزین جفت می شود. آنزیم های DNA پلیمراز قادر به آغاز فرآیند همانندسازی نمی باشند و برای افزودن به نوکلئوتیدها به پرایمر نیاز دارند. آنزیم DNA پلیمراز III  مسئول اصلی همانندسازی در پروکاریوت ها می باشد. در یوکاریوت ها ، DNA  پلیمراز 𝝳 آنزیم اصلی برای همانند سازی است. آنزیم DNA پلیمراز I ، پرایمر RNA را با فعالیت اگزونوکلئاز ’3 → ’5حذف می کند و با فعالیت پلیمراز خود در رشته عقب مانده ، پرایمر را جایگزین می کند.

  • تعمیر (Repair)

فرآیند تکثیر یک کار سنگین است و حفظ یکپارچگی ژنوم موضوعی مهم است. جدا از خطاهای همانندسازی ، ترمیم DNA فرآیندی مداوم برای اصلاح هر گونه خطا در ژنوم به دلیل آسیب DNA است. مکانیسم های مختلفی وجود دارد که توسط آن DNA ترمیم می شود.

  • تصحیح (Proofreading)

همانندسازی DNA کامل نیست و پس ازهر104  تا  105 نوکلئوتید اضافه شده ، خطایی رخ می دهد. حذف توالی نوکلئوتیدی نادرست یا نوکلئوتیدهای ناهماهنگ از رشته جدید سنتز شده برای عملکرد پروتئین ها بسیار مهم است که حتی می تواند منجر به سرطان شود. آنزیم هایDNA  پلیمراز جفت های نادرست را با فعالیت اگزونوکلئاز حذف می کنند. آن ها یک قدم به عقب حرکت می کنند و جفت ناهماهنگ را با فعالیت اگزونوکلئاز ‘5 → ‘3 حذف می کنند. به این ویژگی آنزیم های پلیمراز تصحیح (Proofreading) می گویند.