DNA 중합효소

3. 기능

DNA 중합효소는 DNA의 구성 요소인 데옥시리보뉴클레오타이드를 이용하여 DNA를 합성하는 효소이다. 이 효소는 DNA 복제에 필수적이며, 기존의 DNA 가닥을 읽고 이와 상보적인 새로운 두 가닥의 DNA를 합성하여, 결과적으로 기존 DNA와 동일한 DNA 쌍을 만든다.^[73] DNA 중합효소는 새로운 DNA 가닥의 3' 말단에만 뉴클레오타이드를 추가할 수 있으며, 이로 인해 DNA 합성은 5'→3' 방향으로 진행된다.^[73]

DNA 복제 시, DNA 나선이 헬리케이스에 의해 풀리면, DNA 중합효소는 DNA 프라이머제가 합성한 짧은 RNA 프라이머를 기반으로 DNA 합성을 시작한다. (PCR에서는 올리고 DNA 프라이머 사용)^[73][74]

3. 1. 필수 요소

• OH기: 프라이머가 없는 DNA 합성은 불가능하다는 것을 의미한다. OH기는 정상적인 DNA 복제 시 RNA 프라이머의 3' OH기에 의해, 아데노바이러스의 경우 pTP 단백질에 의해 공급된다.
• 기질(데옥시리보뉴클레오티드): DNA의 재료로 필요하며, 다음 뉴클레오티드의 섭취를 위해 OH기를 공급하는 역할도 한다. 생어법에 의한 시퀀싱은 dideoxyNTP(ddNTP)가 3'에 OH기를 가지지 않기 때문에 DNA의 신장이 정지한다는 원리를 이용한다.
• 주형이 되는 핵산: DNA 중합효소에 의해 DNA 가닥이 신장되는 방향은 5'→3'이며, 분해되는 방향은 양쪽 모두 있을 수 있다.(DNAse I/II, 엔도/엑소-뉴클레아제)
• 마그네슘 이온: 일반적으로 필요하다.

4. 구조

DNA 중합효소는 고도로 보존된 구조를 가지는데, 이는 전체적인 촉매 작용을 돕는 소단위체들이 도메인 구조와 관계없이 종 간에 큰 차이가 없음을 의미한다. 보존된 구조는 보통 세포의 매우 중요한 기능을 담당하며, 이러한 기능 유지는 진화적 이점을 제공한다.^[75]

DNA 중합효소의 구조는 오른손에 빗대어 설명할 수 있다. 엄지 손가락(en), 손바닥(en), 손가락(en)으로 구성된다.^[75]

• 팜 도메인(palm domain)은 인산 전달 반응에서 인산기의 전달을 촉매하는 기능을 한다. 효소가 활성화되면 DNA가 팜 도메인에 결합된다. 이 반응은 2-금속-이온 메커니즘에 의해 촉매되는 것으로 여겨진다.
• 핑거 도메인(finger domain)은 뉴클레오사이드 삼인산을 주형 염기와 결합하는 기능을 한다.
• 덤 도메인(thumb domain)은 DNA의 진행성, 전위 및 위치 지정에 잠재적인 역할을 한다.^[75]

5. 종류

DNA 중합효소는 염기 서열 상동성에 따라 A, B, C, D, X, Y, RT의 7가지 계열로 분류된다.^[17]

일부 바이러스는 B형 간염 바이러스 DNA 중합효소와 같이 특수한 DNA 중합효소를 암호화하며, 다양한 메커니즘을 통해 바이러스 DNA를 선택적으로 복제한다. 레트로바이러스는 역전사 효소라고 하는 RNA 의존성 DNA 중합효소(RdDp)를 암호화하며, RNA 템플릿으로부터 DNA를 중합한다.

박테리오파지(파지) T4는 DNA 합성을 5'에서 3' 방향으로 촉매하는 DNA 중합효소를 암호화한다.^[64] 이 효소는 3'에서 5' 방향으로 작용하는 엑소뉴클레아제 활성을 가지며,^[65] 새로 삽입된 염기의 교정 및 편집에 사용된다.^[66]

DNA 중합효소는 합성 중인 DNA 가닥의 3' 말단 수산기에 새로운 뉴클레오티드를 부착하여 DNA 가닥을 5'→3' 방향으로 신장시킨다. DNA 합성을 처음부터 시작할 수 있는 DNA 중합효소는 없으며, 뉴클레오티드를 부착하려면 프라이머가 필요하다. DNA 중합효소는 3'→5' 엑소뉴클레아제 활성을 통해 오류를 정정하는 교정 기능을 갖춘 경우가 많다. 또한 5'→3' 엑소뉴클레아제 활성을 갖기도 한다.

5. 1. 원핵생물 중합효소

5. 2. 진핵생물 중합효소

• '''Pol α''': 프라이머라아제로서 RNA 프라이머를 합성하고, 그 후 DNA 중합효소로 작용한다. 약 20개의 염기를 합성하면^[70] 래깅 가닥에서는 Pol δ로, 리딩 가닥에서는 Pol ε로 교체된다.
• '''Pol β''': DNA 복구에 관여한다.
• '''Pol γ''': 미토콘드리아 DNA를 복제한다.
• '''Pol δ''': 래깅 가닥에서의 DNA 복제에 관여하는 중심적인 중합효소. 효율이 좋고 3'→5' 엑소뉴클레아제 활성을 가진다.
• '''Pol ε''': 리딩 가닥에서의 DNA 복제에 관여하는 중심적인 중합효소. 효율이 좋고 3'→5' 엑소뉴클레아제 활성을 가진다.^[71]
• '''Pol η''', '''Pol ι''', '''Pol κ''', '''Rev1''', '''Pol ζ''': 손상 극복 복제에 관여한다.^[72]

5. 3. 역전사 효소 (Family RT)

6. 보조 물질

DNA 중합효소가 제대로 작동하기 위해서는 마그네슘 이온과 같은 조효소가 필요하다. 단백질 부분에 보조인자가 결합된 경우의 완전인자를 홀로엔자임(holoenzyme)으로 부르고, 마그네슘 이온이 없을 때에는 아포엔자임(apoenzyme)이라고 불린다.^[76][77]

복제가 일어나기 전에, 헬리케이스라는 효소는 단단히 꼬인 DNA 분자를 푼다. 복제를 위해서는 DNA의 염기가 노출되어 있어야 하므로 헬리케이스를 통해 DNA의 염기 간 수소결합을 푸는 것이다. 헬리케이스가 제대로 작동하면 DNA 이중나선을 벌리게 된다.^[78]

DNA 중합효소의 작용은 매우 정확하지만, 아주 낮은 확률로 염기쌍을 복사할 때 실수가 일어날 수 있다. 그러므로 복사 후 DNA 중합효소는 복사한 DNA를 교정하는 과정을 거쳐 잘못된 염기 부분을 교체한다. 이 과정을 DNA 수선이라고 한다. 이 결과로 기존 DNA 가닥을 온전하게 딸세포로 전달한다.^[73][79]

7. 공정성 (Processivity)

DNA 중합효소는 높은 공정성 덕분에 빠르게 촉매 작용을 한다. 공정성은 중합 기질에 작용하는 효소의 특징이다. DNA 중합효소의 경우, 공정성의 정도는 효소가 주형에 결합할 때마다 추가되는 뉴클레오타이드의 평균 개수를 나타낸다. 평균적인 DNA 중합효소는 프라이머/주형 접합부를 찾고 결합하는 데 약 1초가 걸린다. 일단 결합하면, 비공정적 DNA 중합효소는 초당 1개의 뉴클레오타이드를 추가한다.^[14] 그러나 공정적 DNA 중합효소는 초당 여러 개의 뉴클레오타이드를 추가하여 DNA 합성을 획기적으로 증가시킨다. 공정성의 정도는 DNA 합성 속도에 정비례한다. 살아있는 세포 내 DNA 합성 속도는 처음에는 파지 T4에 감염된 ''대장균''에서 파지 T4 DNA 신장의 속도로 결정되었다. 37 °C에서 DNA가 지수적으로 증가하는 동안, 속도는 초당 749개의 뉴클레오티드였다.^[15]

DNA 중합효소가 DNA 주형을 따라 미끄러질 수 있는 능력은 공정성을 증가시킨다. 복제 분기점에서 공정성이 극적으로 증가한다. 이러한 증가는 DNA 중합효소가 슬라이딩 DNA 클램프라고 알려진 단백질과 결합하여 촉진된다. 클램프는 링 모양으로 결합된 여러 단백질 소단위로 구성된다. ATP의 가수분해를 사용하여, 슬라이딩 클램프 로딩 단백질이라고 알려진 단백질 종류는 슬라이딩 DNA 클램프의 링 구조를 열어 DNA 가닥에 결합하고 해제할 수 있도록 한다. 클램프와의 단백질-단백질 상호작용은 DNA 중합효소가 DNA 주형에서 확산되는 것을 방지하여 효소가 동일한 프라이머/주형 접합부에 결합하여 복제를 계속하도록 보장한다.^[14] DNA 중합효소는 클램프와 결합할 때 친화력을 증가시키고 DNA의 한 부분을 복제하여 클램프에서 해제될 때 친화력을 감소시켜 형태를 변경한다.

DNA 중합효소의 공정성은 생체 외 단일 분자 실험 (즉, 광학 핀셋 및 자기 핀셋)으로 연구되었으며, DNA 중합효소와 복제체(레플리솜)의 다른 분자(헬리케이스 및 SSB) 및 DNA 복제 분기점 사이의 시너지 효과를 밝혀냈다.^[16] 이러한 결과는 결과적인 DNA 중합효소 공정성 증가를 설명하는 DNA 복제를 위한 시너지적 운동 모델 개발로 이어졌다.^[16]

8. 돌연변이 및 질병

DNA 중합효소의 돌연변이는 DNA 복제 오류를 증가시켜 다양한 질병을 유발할 수 있다. 이 계열의 DNA 중합효소는 손상되지 않은 DNA에 대한 충실도가 낮고, 반대로 손상된 DNA도 복제할 수 있다. 손상 극복 복제(translesion synthesis; TLS)를 통해 오류 없이, 혹은 오류를 무시하고 복제할 수 있게 되는데, 후자의 경우 변이율이 상승한다. 색소성 건피증의 변이형(XPV) 환자는, UV 손상을 오류 없이 복구할 수 있는 Pol η에 변이가 생기고, 대신 오류를 무시하는 Pol ζ(이는 family B의 중합효소이다)가 작용하기 때문에, 발암하기 쉬운 경향이 있다.^[1] 사람에게는 이 외에 Pol ι・Pol κ・Rev1이라는 구성원이 알려져 있다.^[1] 대장균에서는 Pol IV (DinB)와 Pol V (UmuDC)가 알려져 있다.^[1]

참조

_[1] 논문 Calf thymus polymerase 1960-08
_[2] 논문 Biochemical studies of bacterial sporulation. II. Deoxy- ribonucleic acid polymerase in spores of Bacillus subtilis 1966-04
_[3] 논문 Enzymatic synthesis of deoxyribonucleic acid. I. Preparation of substrates and partial purification of an enzyme from Escherichia coli 1958-07
_[4] 논문 Enzymatic synthesis of deoxyribonucleic acid. XIV. Further purification and properties of deoxyribonucleic acid polymerase of ''Escherichia coli'' 1964-01
_[5] 논문 Enzymatic synthesis of deoxyribonucleic acid. VII. Synthesis of a polymer of deoxyadenylate and deoxythymidylate 1960-11
_[6] 논문 Purification and properties of deoxyribonucleic acid polymerase from Micrococcus lysodeikticus 1966-05
_[7] 웹사이트 The Nobel Prize in Physiology or Medicine 1959 https://www.nobelpri[...] Nobel Foundation 2012-12-01
_[8] 논문 DNA polymerase II of Escherichia coli in the bypass of abasic sites in vivo 1994-02
_[9] 서적 Lehninger principles of biochemistry W.H. Freeman and Company 2013
_[10] 서적 Biochemistry Mary Finch
_[11] 논문 Structure of an adenine-cytosine base pair in DNA and its implications for mismatch repair 1986
_[12] 논문 Structural basis of high-fidelity DNA synthesis by yeast DNA polymerase delta 2009-09
_[13] 논문 DNA polymerases: structural diversity and common mechanisms 1999-06
_[14] 서적 Molecular biology of the gene Pearson/Benjamin Cummings
_[15] 논문 DNA elongation rates and growing point distributions of wild-type phage T4 and a DNA-delay amber mutant 1976-10
_[16] 논문 DNA replication: ''In vitro'' single-molecule manipulation data analysis and models 2021
_[17] 논문 Evolution of DNA polymerase families: evidences for multiple gene exchange between cellular and viral proteins http://129.175.105.7[...] 2019-09-23
_[18] 논문 Structure of the DP1-DP2 PolD complex bound with DNA and its implications for the evolutionary history of DNA and RNA polymerases 2019-01
_[19] 논문 The Proliferating Cell Nuclear Antigen (PCNA)-interacting Protein (PIP) Motif of DNA Polymerase η Mediates Its Interaction with the C-terminal Domain of Rev1 2016-04
_[20] 논문 An overview of Y-Family DNA polymerases and a case study of human DNA polymerase η 2014-05
_[21] 서적 DNA Polymerases: Discovery, Characterization Functions in Cellular DNA Transactions World Scientific Publishing Company
_[22] 논문 Auto-acetylation of transcription factors as a control mechanism in gene expression 2004-02
_[23] 논문 Deoxyribonucleic acid polymerase from the extreme thermophile Thermus aquaticus 1976-09
_[24] 논문 DNA polymerase II as a fidelity factor in chromosomal DNA synthesis in Escherichia coli 2005-10
_[25] 웹사이트 InterPro protein view: P61875 https://www.ebi.ac.u[...]
_[26] 논문 The linear plasmid pMC3-2 from Morchella conica is structurally related to adenoviruses 1991-12
_[27] 논문 DnaX complex of Escherichia coli DNA polymerase III holoenzyme. The chi psi complex functions by increasing the affinity of tau and gamma for delta.delta' to a physiologically relevant range 1995-12
_[28] 논문 Single-Molecule DNA Polymerase Dynamics at a Bacterial Replisome in Live Cells 2016-12
_[29] 논문 Bacterial replisomes 2018-12
_[30] 논문 Error-prone repair DNA polymerases in prokaryotes and eukaryotes
_[31] 논문 Escherichia coli DinB inhibits replication fork progression without significantly inducing the SOS response
_[32] 논문 Proficient and accurate bypass of persistent DNA lesions by DinB DNA polymerases 2007-04
_[33] 논문 A new model for SOS-induced mutagenesis: how RecA protein activates DNA polymerase V 2010-06
_[34] 논문 Managing DNA polymerases: coordinating DNA replication, DNA repair, and DNA recombination 2001-07
_[35] 논문 Genetic requirement for mutagenesis of the G[8,5-Me]T cross-link in Escherichia coli: DNA polymerases IV and V compete for error-prone bypass 2011-03
_[36] 논문 Structural basis for the increased processivity of D-family DNA polymerases in complex with PCNA 2020-03
_[37] 논문 A novel DNA polymerase family found in Archaea 1998-04
_[38] 논문 Shared active site architecture between archaeal PolD and multi-subunit RNA polymerases revealed by X-ray crystallography 2016
_[39] 논문 Evolution of replicative DNA polymerases in archaea and their contributions to the eukaryotic replication machinery 2014
_[40] 논문 Solution structure of the N-terminal domain of the archaeal D-family DNA polymerase small subunit reveals evolutionary relationship to eukaryotic B-family polymerases 2010-08
_[41] 논문 DNA polymerases as useful reagents for biotechnology - the history of developmental research in the field 2014
_[42] 논문 The replication machinery of LUCA: common origin of DNA replication and transcription 2020-06
_[43] 논문 DNA polymerase family X: function, structure, and cellular roles 2010-05
_[44] 서적 Marks' Basic Medical Biochemistry: a clinical approach Wolter Kluwer Health/Lippincott Williams & Wilkins
_[45] 논문 Primary structure of the catalytic subunit of human DNA polymerase delta and chromosomal location of the gene 1991-12
_[46] 논문 Yeast DNA polymerase epsilon participates in leading-strand DNA replication 2007-07
_[47] 논문 DNA Polymerases Divide the Labor of Genome Replication 2016-09
_[48] 논문 A Major Role of DNA Polymerase δ in Replication of Both the Leading and Lagging DNA Strands 2015-07
_[49] 논문 Saccharomyces cerevisiae DNA polymerase epsilon and polymerase sigma interact physically and functionally, suggesting a role for polymerase epsilon in sister chromatid cohesion 2003-04
_[50] 논문 Structural insights into eukaryotic DNA replication 2014
_[51] 논문 Asgard archaea illuminate the origin of eukaryotic cellular complexity https://biblio.ugent[...] 2017-01
_[52] 서적 Separate roles of structured and unstructured regions of Y-family DNA polymerases
_[53] 논문 DNA polymerase zeta (pol zeta) in higher eukaryotes 2008-01
_[54] 논문 Phylogenetic analysis and evolutionary origins of DNA polymerase X-family members 2014-10
_[55] 논문 DNA polymerase β: A missing link of the base excision repair machinery in mammalian mitochondria 2017-12
_[56] 논문 Mitochondrial disorders of DNA polymerase γ dysfunction: from anatomic to molecular pathology diagnosis 2011-07
_[57] 논문 Mitochondrial DNA replication and disease: insights from DNA polymerase γ mutations 2011-01
_[58] 논문 Promiscuous DNA synthesis by human DNA polymerase θ 2012-03
_[59] 웹사이트 UniProtKB - Q7Z5Q5 (DPOLN_HUMAN) https://www.uniprot.[...] Uniprot 2018-07-05
_[60] 논문 Minireview: DNA replication in plant mitochondria 2014-11
_[61] 논문 Recombination is required for efficient HIV-1 replication and the maintenance of viral genome integrity 2018-11
_[62] 논문 Estimating the in-vivo HIV template switching and recombination rate 2016-01
_[63] 논문 Retroviral recombination and reverse transcription 1990-11
_[64] 논문 Enzymatic synthesis of deoxyribonucleic acid. XXV. Purification and properties of deoxyribonucleic acid polymerase induced by infection with phage T4 1968-02
_[65] 논문 On the exonuclease activity of phage T4 deoxyribonucleic acid polymerase 1972-05
_[66] 논문 Control of mutation frequency by bacteriophage T4 DNA polymerase. I. The CB120 antimutator DNA polymerase is defective in strand displacement 1976-09
_[67] 논문 The effect on recombination of mutational defects in the DNA-polymerase and deoxycytidylate hydroxymethylase of phage T4D 1967-08
_[68] 논문 Eukaryotic DNA polymerases: proposal for a revised nomenclature http://www.jbc.org/c[...]
_[69] 논문 Eukaryotic DNA polymerases.
_[70] 서적 Biochemie Springer
_[71] 논문 Yeast DNA Polymerase ε Participates in Leading-Strand DNA Replication.
_[72] 논문 Eukaryotic translesion synthesis DNA polymerases: specificity of structure and function.
_[73] 웹인용 "[네이버 지식백과] DNA 중합효소 [DNA polymerase] (화학백과)" https://terms.naver.[...]
_[74] 간행물 1960
_[75] 저널 DNA Polymerases: Structural Diversity and Common Mechanisms https://linkinghub.e[...] 1999-06
_[76] 웹인용 조효소 https://terms.naver.[...] 2022-03-12
_[77] 서적 생화학백과
_[78] 웹인용 헬리카제(헬리케이스) https://terms.naver.[...] 2022-03-12
_[79] 간행물 1966