آنزیم های DNA پلیمراز

انواع DNA پلیمراز ها

تکثیر DNA برای انتقال اطلاعات ژنتیکی از والدین به فرزندان ضروری است. این امر توسط آنزیم خاصی به نام DNA پلیمراز تسهیل می شود.آنزیم DNA پلی مراز آنزیمی است که برای تکثیر DNA ضروری بوده و معمولا به صورت جفت برای ساختن رشته ی DNA از روی رشته الگو عمل می کنند.در طول این فرایند DNA پلی مرازها رشته ی DNA موجود را براس ساختن دو رشته ی جدید که مکمل رشته ی الگو باشد فرا می خوانند. هر باری که تقسیم صورت می گیرد،حضور DNA پلی مراز برای تکثیر و انتقال به سلول دختری مورد نیاز است و بدین ترتیب اطلاعات از نسلی به نسل دیگر منتقل می شود.

مهمترین نقش DNA پلیمرازها

DNA پلیمراز 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 .

DNA پلیمراز در تکنیک PCR

در متد PCR در واقع DNA پلی مراز جز اصلی واکنش محسوب می شود که نقش کلیدی در سنتز رشته ی dna دارد. توانایی اساسی DNA پلیمرازها برای سنتز یک زنجیره دئوکسی ریبونوکلئوتید حفظ شده است. به این معنی که زیرواحدهای کاتالیزوری کلی آنها از گونه ای به گونه دیگر، تفاوت بسیار کمی دارد.با این حال، ویژگی‌های خاص‌تر، از جمله عملکرد، صحت و دقت سنتز، و انتخاب‌پذیری نوکلئوتید ، در بین آنزیم‌ها متفاوت است. تکنیک های مهندسی پروتئین برای ایجاد DNA پلیمرازهای جهش یافته یا مصنوعی، با موفقیت DNA پلیمرازهای قدرتمندی را توسعه داده اند که برای اهداف خاص در میان انواع مختلف دستکاری های DNA مناسب هستند. DNA پلیمرازهای مقاوم در برابر حرارت به ویژه برای تکنیک های مرتبط با PCR در زیست شناسی مولکولی مهم هستند. در PCR ، DNA پلی مراز جز اصلی واکنش محسوب می شود که نقش کلیدی در سنتز رشته ی DNA دارد. در نتیجه، درک ویژگی های این آنزیم و به دنبال آن ،تکامل و توسعه DNA پلیمرازها برای تطبیق توانایی PCR برای طیف وسیعی از کاربردهای بیولوژیکی حیاتی است.

انواع DNA پلیمراز ها در سلول

سلول ها حاوی حداقل 13 آنزیم DNA پلی مراز هستند که ممکن است عملکردهای متفاوتی داشته باشند. 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.

DNA پلیمرازها در پروکاریوت ها

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. با این حال، DNA پلیمراز نمی تواند به تنهایی شروع به تشکیل این زنجیره جدید کند و فقط می تواند نوکلئوتیدها را به یک گروه 3′-OH از قبل موجود اضافه کند. بنابراین یک آغازگر مورد نیاز است که نوکلئوتیدها را می توان به آن اضافه کرد. آنزیم های DNA پلیمراز قادر به آغاز فرآیند همانندسازی نمی باشند و برای افزودن به نوکلئوتیدها به پرایمر نیاز دارند.

عملکرد DNA پلیمراز بسیار دقیق است به گونه ای که فقط یک اشتباه در میان حدود یک بیلیون جفت باز کپی دیده می شود. بنابراین DNA پس از کپی توسط DNA پلیمراز “تصحیح” می شود تا جفت بازهای نادرست اصلاح شوند. این امر منجر به حفظ یکپارچگی رشته DNA اصلی می شود که به سلول های دختری منتقل می شوند.

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.