DNA聚合酶：特性、种类及其在DNA复制保真性中的作用

DNA聚合酶

DNA聚合酶，正式名称为DNA依赖型DNA聚合酶（DNA-dependent DNA polymerase, DNA pol），是一种酶类，它利用亲代DNA作为模板，催化脱氧核糖核苷三磷酸（dNTP）分子的聚合反应，从而生成子代DNA。该酶类的首次发现归功于美国科学家Arthur Komberg，他于1957年在大肠杆菌中鉴定出了首种此类酶，即DNA聚合酶Ⅰ（DNA polymerase Ⅰ, 简称polⅠ）。此后，在多种原核生物及真核生物中，科学家们陆续发现了多种DNA聚合酶。

这些DNA聚合酶的共同特性包括：①具备5'→3'聚合酶活性，这一特性决定了DNA的合成方向只能沿着5'→3'的方向进行；②需要引物的存在，因为DNA聚合酶并不具备催化DNA新链从头合成的能力，而只能催化dNTP加入到已存在核苷酸链的3'-羟基（3'-OH）末端。因此，在DNA复制过程的起始阶段，需要一段RNA引物的3'-OH端作为起点，以合成沿5'→3'方向延伸的新链。

 

中文名	DNA聚合酶
属性	蛋白质
作用	复制DNA的重要作用酶
外文名	DNA polymerase
发现时间	1956年
构成	DNA为模板，催化底物dNTP分子聚合

 

特性

DNA聚合酶种类繁多，以大肠杆菌（Escherichia coli, E. coli）为例，即存在三种不同的DNA聚合酶。一般而言，DNA聚合酶展现出以下共性特征：

①它们依赖于DNA模板进行催化作用，因此被归类为依赖DNA的DNA聚合酶；

②这些酶在进行催化时，需要RNA或DNA作为起始的引物（primer），意味着DNA聚合酶无法独立启动合成过程，而需依赖已存在的核酸链作为起点；

③它们催化脱氧核糖核苷三磷酸（dNTP）分子加入到引物的3'-羟基（3'-OH）末端，此过程的速率高达每分钟1000个核苷酸（nt/min），从而确定了DNA合成遵循5'至3'的方向性；

④这三种DNA聚合酶均属于多功能酶类，它们在DNA复制和修复机制的各个阶段扮演着不同的角色，发挥着至关重要的作用。

种类

原核生物大肠杆菌中的DNA聚合酶最早于E. coli中被发现，迄今为止已确认存在五种类型，分别为DNA聚合酶Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ和V，它们均参与DNA链的延长过程。[4]其中，DNA聚合酶I、Ⅱ、Ⅲ的研究较为深入。

原核细胞DNA聚合酶性质的比较

• DNA聚合酶I：1956年由Arthur Komberg在E. coli中首次鉴定，属多功能酶，具备三个不同的活性中心：

  1. 5'→3'聚合酶活性：催化DNA链的延伸，主要用于填补DNA空缺或移除RNA引物后留下的空间。
  2. 3'→5'外切酶活性：识别和切除DNA 3'端错误配对的核苷酸，执行校对功能。
  3. 5'→3'外切酶活性：主要用于切除5'端引物或受损DNA。尽管该酶缺陷的突变体仍能存活，表明DNA聚合酶I非DNA复制的主要酶。

• DNA聚合酶Ⅱ：为多酶复合体，含有5'→3'聚合酶和3'→5'外切酶活性中心，但缺乏5'→3'外切酶活性。其催化5'→3'合成反应的活性远低于DNA聚合酶I。鉴于该酶缺陷的E. coli突变体的DNA复制正常，推测其非DNA复制的主要酶，可能在DNA损伤修复中发挥作用。

• DNA聚合酶Ⅲ：为多酶复合体，由α、β、γ、δ、ε、θ、τ、χ和ψ等10种亚基构成，其中α、ε和θ亚基构成核心。α亚基含5'→3'聚合酶活性中心，ε亚基含3'→5'外切酶活性中心，θ亚基可能参与装配。DNA聚合酶Ⅲ活性最高，在DNA复制链的延长中起主导作用，是催化DNA复制合成的主要酶。

• DNA聚合酶Ⅳ和V：发现于1999年，主要参与DNA修复过程。

真核生物DNA聚合酶

真核生物中已发现超过15种DNA聚合酶，哺乳动物细胞中主要有五种，分别命名为DNA聚合酶α、β、γ、δ和ε，均具备5'→3'聚合酶活性。[4]

• 基本性质：真核细胞的DNA聚合酶与细菌DNA聚合酶在基本性质上相似，均以dNTP为底物，需Mg²⁺激活，在模板链和具有3'-OH末端的引物链存在下，按5'→3'方向进行链的延伸。然而，真核细胞的DNA聚合酶通常不具备核酸外切酶活性，推测存在其他酶在DNA复制中执行校对功能。

• 功能特性：

  • DNA聚合酶α：主要负责引物合成，参与前导链和后随链的起始合成。与引发酶形成复合体，因其兼具引发和延伸功能，故又称pol α的引发酶。
  • DNA聚合酶β：活性稳定，可能在DNA损伤修复中起关键作用，属于高忠实性修复酶。
  • DNA聚合酶γ：在线粒体DNA复制中发挥作用。
  • DNA聚合酶δ：主要负责DNA复制，参与前导链和后随链的合成。
  • DNA聚合酶ε：与后随链合成有关，在DNA合成过程中的核苷切除修复和碱基切除修复中起重要作用，且可能在细胞重组过程中具有某些功能。

除了上述五种主要的DNA聚合酶外，真核生物中还存在ζ、η、τ和κ等DNA聚合酶，它们承担DNA损伤修复的功能，但这些修复酶的忠实性较低。

真核细胞DNA聚合酶性质的比较

• 亚基数：DNA聚合酶α为4，DNA聚合酶β为1，DNA聚合酶γ至少为2~3，DNA聚合酶δ和ε的亚基数较多。
• 细胞定位：DNA聚合酶α、β、δ和ε定位于细胞核内，而DNA聚合酶γ定位于线粒体。
• 外切酶活性：DNA聚合酶β缺乏3'→5'外切酶活性，DNA聚合酶γ具有3'→5'外切酶活性，其他酶的外切酶活性特性各异。
• 引物合成酶活性：仅DNA聚合酶α具备此功能。
• 功能：各酶在DNA复制、修复及线粒体DNA合成等方面发挥特定作用。

DNA聚合酶与复制的保真性

DNA复制的保真性是确保遗传信息得以稳定传递至后代的关键因素。生物体为实现这一保真性，至少依赖三种机制：

①严格遵循碱基配对原则，这是遗传信息传递的基础；

②5'—3'聚合酶活性中心对底物具有高度的选择性，通过此机制，核苷酸的错配率被控制在极低的水平，即10-5之间；

③3'—5'外切酶活性中心在复制过程中发挥即时校对作用，一旦检测到错误配对，便立即进行修正，从而将错配率进一步降低至10-8的极低范围。

 

名称	货号	规格
DNA	D3875-50ug	50ug
T4 DNA Ligase	abs60084-500U	500U
DL 2000 DNA Marker	abs60002-100T	100T
DL 8000 DNA Marker	abs60006-100T	100T