Главные эукариотические ДНК-полимеразы

Более того, даже синтезированные при ее участии фрагменты Оказаки желательно удалить из отстающей нити.

На N-конце ДНК-полимеразы a расположен домен (остатки 1-330), не существенный для полимеразной активности и сборки гетеротетрамерного комплекса. Этот домен может участвовать во взаимодействиях с другими белками и ассоциируется, например, с большим Т-антигеном вируса SV40. Взаимодействие Pola со связывающим онДНК белком RP-A (см. 2.2) стабилизирует связывание Pola с 3’-концом затравки РНК и повышает процессивность и точность синтеза ДНК. С-концевой домен (остатки 1300-1465) не нужен для каталитической активности, но участвует во взаимодействиях с праймазными субъединицами. В нем находится мотив цинковых пальцев, связывающий Zn²⁺.

Вторая по величине субъединица В (р86 у дрожжей и р68 у млекопитающих) комплекса Pola-праймаза не обладает какой-либо ферментативной активностью, но играет важную роль формировании и поддержании структуры всего гетеротетрамерного комплекса. Ген POL12, кодирующий эту субъединицу у дрожжей, абсолютно необходим для жизнеспособности клеток. Более того, субъединица В требуется для каталитической активности Pola. Известно также, что субъединица В может стимулировать экспрессию субъединицы А. Кроме того, субъединица В фосфорилируется циклин-зависимыми протеинкиназами на стадии митоза во время клеточного цикла. Эта модификация может играть регуляторную роль, например, ингибировать активность Pola при инициации репликации.

У млекопитающих субъединица р68 непосредственно контактирует с праймазным гетеродимером р55/p48, в котором субъединица р55 ассоциируется также с субъединицей р180. Праймазный субкомплекс р55/p48 может самостоятельно транслоцироваться в ядро, благодаря наличию сигнала ядерной локализации NLS у субъединицы р55. Субъединица А также имеет последовательность NLS (на N-конце у дрожжей и на С-конце млекопитающих). Тем не менее, при экспрессии порознь белки р180 и р68 остаются в цитоплазме. Для их ядерной транслокации требуется взаимодействие друг с другом. Вероятно, гетеродимер р180/р68 собирается в цитоплазме, транслоцируется в ядро и там соединяется с праймазным гетеродимером р55/p48 с образованием тетрамерного комплекса Pola-праймаза.

ДНК-полимераза b

ДНК-полимераза b (Polb) млекопитающих является самой маленькой из известных эукариотических ДНК-полимераз и относится к семейству Х, к которому принадлежит, например, и терминальная нуклеотидилтрансфераза. Polb имеет длину 335 остатков (мол. масса 39 кД) и состоит из двух доменов, соединенных чувствительным к протеазам линкером. Короткий N-концевой домен (8 кД) может связываться с онДНК и с 5’-концом нити ДНК в ОР или однонитевой бреши. Этот домен обладает 5’-дезоксирибозофосфатазной активностью, т.е. способен удалять с 5’-конца нити ДНК остатки 5’-дезоксирибозофосфата (без присоединенного к сахару основания) или 5’-дезоксирибонуклеотидфосфата. Эта реакция идет по механизму b-элиминации, а не гидролиза. На промежуточной стадии отщепляемый 5’-дезоксирибозофосфат ковалентно связывается с остатком лизина в домене 8 кД.

С-концевой домен (31 кД) обладает полимеразной активностью, которая способна заполнять в днДНК короткие однонитевые пробелы по дистрибутивному механизму. ДНК-полимераза b обычно ресинтезирует в ДНК участки длиной 1-2 остатка, отрываясь от конца затравки после каждого акта включения нуклеотида. Подобно другим ДНК-полимеразам, 3-мерная структура Polb содержит домены ладони, большого пальца и пальцев, но они сильно редуцированы (рис. 1.12). В домене ладони находится триада остатков асп (положения 190, 192 и 256), участвующая в связывании двух каталитических катионов Mg²⁺. Однако по механизму связывания матрицы Polb отличается от других ДНК-полимераз. Это может обусловливать дистрибутивный характер ее действия.

Рис. 1.12. Модель 3-мерной структуры тройного комплекса ДНК-полимеразы b крысы с ДНК и ди-дНТФ.

1 – сайт связывания входящего нуклеотида, 2 – сайт связывания ДНК, 3 – матрица, 4 – затравка

А – N-концевой домен, В – аналог домена большого пальца, С – домен ладони, D – аналог домена пальцев

Рис. 1.13. Участие ДНК-полимеразы b в эксцизионной репарации оснований с короткими заплатками.

I – удаление модифицированного основания ДНК-гликозилазой, II – образование ОР с 5’-стороны от АР-сайта АР-эндонуклеазой, III– удаление АР-сайта с освобождением 5’-дезоксирибозофосфата, IV – заполнение однонитевого пробела ДНК-полимеразой b и лигирование ДНК-лигазой.

1 – модифицированное основание, 2 – АР-сайт, 3 – 5’-дезоксирибозофосфат.

Уже давно было установлено, что ДНК-полимераза b участвует не в репликации, а в репарации ДНК. Две каталитические активности Polb делают ее идеально приспособленной к участию в эксцизионной репарации оснований (рис. 1.13). В клетках человека Polb отвечает за репарацию 75% повреждений ДНК, исправляемых по этому механизму. К числу таких повреждений относятся остатки урацила, ошибочно встроенные репликативными ДНК-полимеразами вместо тимина, а также некоторые типы модифицированных оснований, возникающие при действии на ДНК алкилирующих агентов, окислительных агентов и ионизирующей радиации. Первый этап этого пути (удаление модифицированного основания) катализируют ДНК-гликозилазы (например, урацил-ЛНК-гликозилаза), которые разрушают N-гликозидную связь между основанием и дезоксирибозой в остове ДНК. В результате их действия в ДНК образуется апуриновый/апиримидиновый АР-сайт. Этот сайт узнается АР-эндонуклеазами. Некоторые из них вызывают появление ОР с 3’-гидроксильным и 5’-фосфатным концами, расположенного с 5’-стороны от АР-сайта. Этот ОР служит местом посадки ДНК-полимеразы b, которая вначале за счет 5’-дезоксирибозофосфатазной активности удаляет из поврежденной нити 5’-дезоксирибозофосфат (т.е. убирает АР-сайт), а затем заполняет образовавшийся однонуклеотидный пробел полимеразной активностью. Завершает репарацию воссоединение ОР под действием ДНК-лигазы.

Трансгенные мыши с гомозиготной делецией гена Polb нежизнеспособны: их эмбрионы выживают только в течение 10 дней после оплодотворения. Линии клеток млекопитающих, гомозиготные по делеции этого гена, сохраняют жизнеспособность, но проявляют дефект по эксцизионной репарации оснований и имеют повышенную чувствительность к алкилирующим агентам (но не к УФ-свету и ионизирующей радиации).

У дрожжей S. cerevisiae имеется ген POL4, который кодирует белок длиной 582 остатка. С-концевая область этого белка гомологична ДНК-полимеразам b млекопитающих и содержит 5’-дезоксирибозофосфатазный и полимеразный домены. Функции N-концевого удлинения (~200 остатков) неизвестны. Нулевые мутанты дрожжей по гену POL4 не дефектны по эксцизионной репарации оснований и не проявляют повышенную чувствительность к алкилирующим агентам. Биологическая роль продукта гена POL4 пока окончательно не установлена. Дрожжевой белок Pol4 является ортологом ДНК-полимеразы l млекопитающих.

ДНК-полимераза g

ДНК-полимераза g (Polg), кодируемая ядерными генами, является единственной эукариотической ДНК-полимеразой, участвующей в репликации митохондриальной ДНК (мтДНК), которая идет по непрерывному механизму (см. гл. 00). Большая субъединица Polg имеет мол. массу ~ 140 кД (р140) и высококонсервативна у всех эукариотов (степень идентичности между белками р140 дрожжей и человека составляет 42%). Очищенная большая субъединица Polg обладает не только ДНК-полимеразной, но и корректорской (3’®5’)-экзонуклеазной активностью. Подобно ДНК-полимеразе b, Polg имеет 5’-дезоксирибозофосфатазный домен и может удалять из ДНК 5’-дезоксирибозофосфат по каталитическому механизму b-элиминации.

У многоклеточных эукариотов, но не у дрожжей, Polg является гетеродимером и, кроме субъединицы р140, содержит малую вспомогательную субъединицу с мол. массой 55 кД (р55). Субъединица р55, связываясь с р140, повышает скорость полимеризации ДНК в 5 раз и увеличивает процессивность Polg в 100 раз, т.е. играет роль фактора процессивности ДНК-полимеразы g. Это обусловлено повышением в присутствии р55 сродства субъединицы р155 к матричному концу ДНК в 100 раз. Сравнение аминокислотных последовательностей субъединиц р55 человека, мыши, крысы и дрозофилы показало, что у них наиболее консервативен С-концевой домен длиной ~ 120 остатков, по укладке похожий на аминоацил-тРНК-синтетазы класса IIa. Он состоит из 5-нитевого b-слоя, окруженного четырьмя a-спиралями, и необходим для взаимодействия р55 с субъединицей р140. Вспомогательная субъединица р55 по структуре похожа также на N-концевой домен субъединицы d’ в g-комплексе ДНК-полимеразы III E. coli.

мтДНК постоянно находится в окислительном окружении внутри митохондрий и подвергается сильному окислительному повреждению. Поэтому скорость нуклеотидных замен в мтДНК в 10 раз выше, чем в ядерной ДНК. Поддержание целостности мтДНК зависит от эффективных систем репарации, обязательным участником которых является ДНК-полимераза g. В частности, Polg способна, подобно ДНК-полимеразе b, принимать участие в эксцизионной репарации оснований и удалять из ДНК АР-сайты после их инцизии АР-эндонуклеазами. ДНК-полимераза g необходима также для эффективной нуклеотидной эксцизионной репарации мтДНК и способна к ограниченному синтезу напротив повреждений в матричной нити ДНК. Так, Polg преимущественно включает остаток dA напротив АР-сайтов или остатков 8-оксо-dG (продукта окислительного повреждения ДНК).

ДНК-полимеразы d и e

Гетеромультимерные ДНК-полимеразы g и e (Polg и Pole) участвуют не только в репликации ДНК, но и в нуклеотидной эксцизионной репарации, эксцизионной репарации оснований, коррекции ошибочно спаренных оснований, репарации двунитевых разрывов ДНК и рекомбинации и являются наиболее самыми важными из эукариотических ДНК-полимераз. Они относятся к полимеразному семейству В. Самая большая субъединица (А) Pold наиболее консервативна среди эукариотических ДНК-полимераз этого семейства: у человека и дрожжей она идентична на 49%, а у человека и мыши – на 98%. В то же время идентичность больших А-субъединиц Pole у человека и мыши составляет всего 39%.

Рис. 1.14. Схема доменной организации больших субъединиц эукариотических ДНК-полимераз d (А) и e (В).

I – N-концевой домен, II - (3’®5’)-экзонуклеазный домен, III – полимеразный домен, IV – домен цинковых пальцев, V – уникальный С-концевой домен ДНК-полимераз e

Большая субъединица Pold, имеющая длину ~ 1100 остатков у дрожжей S. cerevisiae, cостоит из 4 доменов (рис. 1.14, А). N-концевой домен (остатки 1-200) наименее консервативен и содержит сигнал ядерной локализации NLS. Этот домен может участвовать во взаимодействиях с циклин-зависимыми протеинкиназами и ядерным антигеном пролиферирующих клеток PCNA. Более консервативен С-концевой домен (остатки 850-1110), содержащий три почти идентичных блока и домен цинкового пальца, на 98% совпадающий у Pold дрожжей и человека. Между этими доменами расположены основные каталитические области: (3’®5’)-экзонуклеазный домен (остатки 200-430) и ДНК-полимеразный домен (остатки 450-850) с такими же консервативными мотивами А и С активного центра, как у ДНК-полимеразы a.

Большая субъединица ДНК-полимеразы e у S. cerevisiae имеет длину 2222 остатка, т.е. вдвое длиннее большой субъединицы Pold. В N-концевой половине, в которой расположены (3’®5’)-экзонуклеазный и полимеразный домены, эти различия не столь заметны. Правда, в полимеразном домене Pole последовательности консервативных мотивов А (ELDTDG) и С (DxxAMYPN) изменены по сравнению с ДНК-полимеразами a и g, но триада кислых остатков асп каталитического центра сохранилась. Главная особенность ДНК-полимераз e состоит в существовании огромного С-концевого домена длиной около 1000 остатков, имеющегося только у Pole. На С-конце большой субъединицы Pole расположены очень кислая область и консервативный домен цинкового пальца (остатки 2100-2200), состоящий из двух связывающих Zn²⁺ модулей типа С4 (ZF1 и ZF2), разделенных спейсером. C-концевой домен Pole используется для белок-белковых взаимодействий, существенных для физиологических функции ДНК-полимеразы e.

ДНК-полимераза d считается главным ферментом, ответственным за элонгацию по время репликации эукариотической ДНК. Этот вывод основан на генетическом и биохимическом анализе частично дефектных по Pold мутантов почкующихся и делящихся дрожжей и особенно на реконструкции in vitro репликации минихромосом вируса SV40. В этой вирусной системе для репликации требуются две клеточных ДНК-полимеразы. ДНК-полимераза a и ассоциированная с ней праймаза синтезируют затравки РНК-ДНК для инициации синтеза ведущей нити и каждого из фрагментов Оказаки в отстающей нити. Последующую элонгацию ведущей нити и завершение фрагментов Оказаки в отстающей нити (см. гл. 4) катализирует Pold, которая не требует помощи Pole. Более того, в опытах in vivo установлено, что с реплицирующейся ДНК вируса SV40 сшиваются ДНК-полимеразы a и d, но не Pole. Таким образом, в частном случае репликации вирусной ДНК роль ДНК-полимеразы e не обнаруживается.

Тем не менее, Pole явно имеет отношение к репликации хромосомной ДНК эукариотических клеток. Антитела к Pole человека ингибируют репликацию хромосомной ДНК в человеческих фибробластах, а в клетках почек обезьяны Pole сшивается с вновь синтезированной хромосомной ДНК. Нокаут гена POL2, кодирующего большую субъединицу Pol2 ДНК-полимеразы e у S. cerevisiae, летален и вызывает дефект по репликации ДНК. Однако комплементацию этого дефекта вызывает не полимеразный домен, а изолированный С-конце вой домен белка Pol2 с мол. массой 120 кД. Вместе с тем, даже точечные мутации или маленькие делеции, затрагивающие домены цинковых пальцев на самом С-конце этого белка, вызывают дефект по репликации хромосом и по контрольной точке S/M клеточного цикла, предотвращающей сегрегацию нереплицированных или поврежденных хромосом. Поэтому высказывается предположение, что незаменимой областью большой субъединицы Pole является не полимеразный, а уникальный и консервативный у всех эукариотов С-концевой домен, участвующий в регуляторных событиях клеточного цикла. Тем не менее, в отличие от полной делеции полимеразного домена Pole, точечные мутации в этом домене летальны для дрожжей. Эти данные позволяют предположить, что функцию Pole в синтезе ДНК могут заменить другие ДНК-полимеразы, например Pold, но они не заменяют регуляторную функцию уникальной С-концевой половины. Точечные мутации в полимеразном домене могут препятствовать такой замене синтетической функции Pole или же оттитровывают какие-то клеточные факторы, существенные для репликации. Истинная роль Pole в репликации пока остается невыясненной. Возможно, ДНК-полимераза e участвует в поздних стадиях синтеза отстающей нити или же реплицирует клеточные хромосомы только в самом конце фазы S клеточного цикла.

ДНК-полимеразы d и e являются гетеромультимерными комплексами, в состав которых входят не только большие субъединицы А, но и несколько вспомогательных субъединиц меньшего размера. Их число равно 2 у S. cerevisiae, 3 у человека и 4 у делящихся дрожжей Schizosaccharomyces pombe в случае Pold и 3 в случае Pole у всех этих видов (табл. 1.3). Гомология малых субъединиц между разными видами гораздо меньше (20-25%), чем гомология больших субъединиц, а функции вспомогательных белков изучены еще недостаточно. Эти дополнительные субъединицы могут участвовать, например, в сборке и/или поддержании стабильности целых репликазных ансамблей.

У ДНК-полимеразы d S. cerevisiae вспомогательные субъединицы р58 и р55, похожие на субъединицы р50 и р66 человека, кодируются соответственно существенным геном POL31 и несущественным геном POL32. Мутант с нокаутированным геном POL32 жизнеспособен, но холодочувствителен по репликации и про вляет повышенную чувствительность к агентам, повреждающим ДНК. Продукт этого гена связывает ядерный антиген пролиферирующих клеток PCNA. Белки р55 и р58, экспрессированные порознь, находятся в димерной форме, а при одновременной экспрессии образуют гетеротетрамер (р55-р58)₂. При коэкспрессии р55 с большой субъединицей р125 образуется их гетеродимер. В клетках дрожжей дикого типа обнаружена наиболее высокомолекулярная форма ДНК-полимеразы d - (р125-р58-р55)₂ с мол. массой ~500 кД, являющаяся димером гетеротримера всех 3 субъединиц. При реконструкции Pold человека из субъединиц р125, р50, р66 и р12, экспрессированных рекомбинантными бакуловирусами в клетках насекомых, обнаружены 3-субъединичный (р125-р66-р50) и 4-субъединичный (р125-р66-р50-р12) субкомплексы, причем ДНК-полимеразная активность у последнего в 15 раз выше, чем у первого. Это показало, что для оптимальной полимеразной активности Pold требуется даже самая маленькая субъединица р12, отсутствующая у почкующихся дрожжей. Вероятно, активной формой ДНК-полимеразы d человека является димер 4-субъединичного субкомплекса.

ДНК-полимераза e дрожжей состоит из субъединиц р256, р80, р23 и р22. При коэкспрессии этих рекомбинантных субъединиц в различных сочетания обнаружены гетеродимерные субкомплексы р256-р80 и р23-р22, которые ассоциируются друг с другом с образованием гетеротетрамера. Субъединица р80 сама способна образовывать гомодимер, а гетеродимер р256-р80 димеризуется с образованием гетеротетрамера (р256-р80)₂. За димеризацию гетеродимера отвечает субъединица р80, для взаимодействия с которой необходима и достаточна С-концевая половина р256, включая домен цинковых пальцев. У Pole человека две самые маленькие субъединицы (р17 и р12) также взаимодействуют с двумя самыми большими субъединицами (р261 и р59) и образуют гетеротетрамерный комплекс.

По-видимому, общим свойством эукариотических ДНК-полимераз d и e является образование комплексов, в которые входят две молекулы самой большой субъединицы, ответственной за полимеразную активность, как и в случае бактериальной ДНК-полимеразы III. Продолжая эту аналогию с бактериальными репликазами, можно ввести понятие холоферментов Pold и Pole, в состав которых, помимо главной полимеразной субъединицы и вспомогательных белков, входят скользящий зажим (белок PCNA) и его погрузчик (пентамерный белок RF-C). В присутствии белка PCNA процессивность ДНК-полимеразы d увеличивается с 1200 до 3500, а при анализе стационарной кинетики синтеза ДНК – с 100 до нескольких тысяч. PCNA облегчает образование комплекса Pold-ДНК и уменьшает константу скорости диссоциации этого комплекса. ДНК-полимераза e проявляет достаточно высокую процессивность при низкой ионной силе и в отсутствие PCNA, но в физиологических условиях (в присутствии 0,15 М NaCl) становится непроцессивной, и тогда PCNA способствует восстановлению высокой процессивности.

ДНК-полимеразы археев

По ультраструктуре клеток представители третьего домена живых организмов археи (Archaea) похожи на бактерии и относятся к прокариотам. Их метаболические процессы в целом также похожи на бактериальные. Однако весь аппарат обработки генетической информации (транскрипции, трансляции и репликации ДНК) у археев гораздо ближе к аппарату эукариотов. У археев как РНК-полимеразы, так и ДНК-полимеразы напоминают эукариотические ферменты. Домен археев подразделяется на два субдомена: кренархеи (Crenarchaeota) и эуриархеи (Euryarchaeota). К первому классу относятся такие археи, как Sulfolobus, а ко второму – такие, как Pyrococcus. Наборы ДНК-полимераз у кренархеев и эуриархеев не одинаковы.

Оба субдомена археев имеют мономерные ДНК-полимеразы семейства В с мол. массой ~ 100 кД, похожие на эукариотические ДНК-полимеразы a, g и e.Они содержат в полимеразном активном центре типичные мотивы семейства В (YGDTDS и DxxSLIPS) и обладают (3’®5’)-экзонуклеазной активностью. У кренархеев имеются по меньшей мере две разные ДНК-полимеразы этого класса (PolBI и PolBII), а у эуриархеев – только одна ДНК-полимераза PolB, которая долгое время считалась их единственной ДНК-полимеразой. В дальнейшем оказалось, что наряду с PolB эуриархеи содержат вторую, гетеродимерную ДНК-полимеразу PolD, которая высокогомологична у различных эуриархеев, но не имеет гомологов у других организмов и выделена в новое семейство D.

ДНК-полимераза PolD состоит из большой каталитической субъединицы DP2 с мол. массой ~ 130-140 кД, обладающей (3’®5’)-экзонуклеазной активностью, и вспомогательной малой субъединицы DP1 с мол. массой ~ 70 кД, которая обладает слабой, но достоверной гомологией с субъединицей р66 ДНК-полимеразы d. Малая субъединица DP1 имеет древние «пирофосфатазные» мотивы, как у эубактериальных ДНК-полимераз III, и содержит типичный мотив связывания эукариотических факторов процессивности.

Все ДНК-полимеразы археев нуждаются для высокой процессивности в скользящем зажиме, который похож на эукариотический белок PCNA. Погрузку этого белка с мол. м. ~ 29 кД у археев вызывает комплекс RF-C, аналогичный эукариотическому, но состоящий не из пяти, а из двух разных субъединиц.

Поиск по сайту: