آنزیم های DNA پلیمراز | یوکاریوت و پروکاریوت

آنزیم های DNA پلیمراز | یوکاریوت و پروکاریوت

DNA پلیمراز چیست؟

DNA پلیمرازها گروهی از آنزیم‌ها هستند که نقش اساسی در همانندسازی (تکثیر) DNA دارند. این آنزیم‌ها با افزودن نوکلئوتیدها به رشتهٔ در حال رشد DNA، نسخه‌ای دقیق از ژنوم را تولید می‌کنند. فرآیند همانندسازی به‌وسیلهٔ DNA پلیمرازها در جهت ۵′ به ۳′ انجام می‌شود و به حفظ و انتقال اطلاعات ژنتیکی از یک نسل به نسل دیگر کمک می‌کند.

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.

انواع DNA پلیمراز در پروکاریوت‌ها

در باکتری‌ها مانند E. coli، پنج نوع اصلی DNA پلیمراز شناسایی شده است:

1. DNA پلیمراز I (Pol I)

• نقش: حذف پرایمرهای RNA و جایگزینی آن‌ها با DNA در فرآیند ترمیم و تکمیل رشته‌های تازه ساخته‌شده.
• ویژگی: دارای فعالیت‌های اگزونوکلئازی ۵′→۳′ و ۳′→۵′ برای حذف پرایمرها و تصحیح اشتباهات.

2. DNA پلیمراز II (Pol II)

• نقش: ترمیم DNA و بازآغاز همانندسازی پس از آسیب‌های DNA.

• ویژگی: فعالیت اگزونوکلئازی ۳′→۵′ و پشتیبانی از Pol III در شرایط آسیب.

3. DNA پلیمراز III (Pol III)

• نقش: آنزیم اصلی در همانندسازی DNA، مسئول سنتز رشته‌های پیشرو و پیرو.

• ویژگی: دارای فعالیت تصحیح اشتباه ۳′→۵′ برای افزایش دقت همانندسازی.

4. DNA پلیمراز IV (Pol IV)

• نقش: سنتز DNA در محل آسیب‌ها در شرایط استرس سلولی.

• ویژگی: فاقد فعالیت تصحیح اشتباه، اما ضروری در عبور از محل آسیب (Translesion synthesis).Wikipedia+1NCBI+1

5. DNA پلیمراز V (Pol V)

• نقش: سنتز DNA از روی قالب‌های آسیب‌دیده در پاسخ به آسیب‌های شدید DNA.

• ویژگی: فعال در مسیر SOS و افزای

   

• ش احتمال وقوع جهش‌ها.

🧬 انواع DNA پلیمراز در یوکاریوت‌ها

سلول‌های یوکاریوتی دارای بیش از ۱۵ نوع DNA پلیمراز هستند که مهم‌ترین آن‌ها عبارتند از:

1. DNA پلیمراز α (Pol α)

• نقش: آغاز همانندسازی DNA با سنتز پرایمر RNA-DNA.

• ویژگی: همکاری با پرایماز برای ایجاد پرایمرهای لازم جهت شروع سنتز.

2. DNA پلیمراز δ (Pol δ)

• نقش: سنتز رشته پیرو (lagging strand) در همانندسازی.

• ویژگی: دارای فعالیت تصحیح اشتباه ۳′→۵′ و فرآیندپذیری بالا با همکاری پروتئین PCNA.

3. DNA پلیمراز ε (Pol ε)

• نقش: سنتز رشته پیشرو (leading strand) در همانندسازی.

• ویژگی: تصحیح اشتباه و سرعت بالا در سنتز DNA.

4. DNA پلیمراز γ (Pol γ)

• نقش: همانندسازی DNA میتوکندری.

• ویژگی: تنها پلیمراز فعال در میتوکندری، آسیب به این آنزیم می‌تواند منجر به اختلالات متابولیک شود.

5. DNA پلیمراز β (Pol β)

• نقش: ترمیم DNA از طریق مکانیزم BER (Base Excision Repair).

• ویژگی: حذف بازهای آسیب‌دیده و پر کردن شکاف‌های کوچک در DNA.

6. DNA پلیمرازهای η (Pol η)، ι (Pol ι)، و κ (Pol κ)

• نقش: همانندسازی از روی DNA آسیب‌دیده در شرایط استرس.

• ویژگی: فاقد فعالیت تصحیح اشتباه، اما ضروری در عبور از محل آسیب (Translesion synthesis).

⚙️ عملکرد DNA پلیمرازها در همانندسازی و ترمیم DNA

DNA پلیمرازها با افزودن نوکلئوتیدها به رشتهٔ در حال رشد DNA، نسخه‌ای دقیق از ژنوم را تولید می‌کنند. آن‌ها همچنین در ترمیم آسیب‌های DNA نقش دارند، به‌ویژه در شرایطی که DNA دچار آسیب شده و نیاز به بازسازی دارد. برخی از پلیمرازها دارای فعالیت تصحیح اشتباه هستند که به افزایش دقت همانندسازی کمک می‌کند.

🧪 کاربردهای DNA پلیمراز در زیست‌شناسی مولکولی

• PCR (واکنش زنجیره‌ای پلیمراز): استفاده از آنزیم‌های پلیمراز برای تکثیر دقیق DNA در آزمایشگاه‌ها.

• کلون‌سازی ژن: انتخاب نوع مناسب آنزیم بر اساس دقت و فرآیندپذیری برای کلون‌سازی ژن‌ها.

• درمان‌های ژنی: استفاده از آنزیم‌های پلیمراز برای اصلاح ژن‌های معیوب در درمان بیماری‌های ژنتیکی.

• مطالعه بیماری‌های ژنتیکی: بررسی جهش‌ها و اختلالات ژنتیکی با استفاده از آنزیم‌های پلیمراز.

✅ جمع‌بندی

آنزیم‌های DNA پلیمراز نقش حیاتی در همانندسازی و ترمیم DNA دارند. درک دقیق از عملکرد این آنزیم‌ها برای پژوهشگران حوزه زیست‌شناسی مولکولی و ژنتیک اهمیت بالایی دارد، به‌ویژه در زمینه‌هایی مانند طراحی داروهای ضدباکتریایی و توسعه تکنیک‌های مهندسی ژنتیک.

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.