stringtranslate.com

Примаза

ДНК-примаза — это фермент , участвующий в репликации ДНК , разновидность РНК-полимеразы . Примаза катализирует синтез короткого сегмента РНК (или ДНК в некоторых живых организмах [1] ), называемого праймером , комплементарным матрице оцДНК (одноцепочечная ДНК). После удлинения участок РНК удаляется экзонуклеазой с 5'-3'-конца и заполняется ДНК.

Функция

Асимметрия в синтезе ведущих и отстающих цепей, показана роль примазы ДНК.
Этапы синтеза ДНК, показана роль ДНК-примазы

У бактерий примаза связывается с ДНК-хеликазой, образуя комплекс, называемый примосомой . Примаза активируется хеликазой, где она затем синтезирует короткий праймер РНК длиной примерно 11 ± 1 нуклеотид , к которому с помощью ДНК-полимеразы могут быть добавлены новые нуклеотиды. Примазы архей и эукариот представляют собой гетеродимерные белки с одной большой регуляторной и одной крошечной каталитической субъединицей. [2]

Сегменты РНК сначала синтезируются примазой, а затем удлиняются ДНК-полимеразой. [3] Затем ДНК-полимераза образует белковый комплекс с двумя субъединицами примазы, образуя комплекс альфа-ДНК-полимеразы-примазы. Примаза — одна из наиболее склонных к ошибкам и медленных полимераз. [3] Примазы в таких организмах, как E. coli , синтезируют от 2000 до 3000 праймеров со скоростью один праймер в секунду. [4] Примаза также действует как механизм остановки, не позволяя ведущей цепи опережать отстающую цепь , останавливая продвижение репликационной вилки . [5] Стадией, определяющей скорость примазы, является образование первой фосфодиэфирной связи между двумя молекулами РНК. [3]

Механизмы репликации различаются у разных бактерий и вирусов , где примаза ковалентно связана с хеликазой в вирусах, таких как бактериофаг Т7 . [5] В таких вирусах, как вирус простого герпеса (ВПГ-1), примаза может образовывать комплексы с геликазой. [6] Комплекс примаза-геликаза используется для раскручивания дцДНК (двухцепочечной) и синтеза отстающей цепи с использованием праймеров РНК. [6] Большинство праймеров, синтезируемых примазой, имеют длину от двух до трех нуклеотидов. [6]

Типы

Существует два основных типа примаз: DnaG , обнаруженный у большинства бактерий, и суперсемейство AEP (архео-эукариотические примазы), обнаруженное у архейных и эукариотических примаз. В то время как бактериальные примазы ( тип DnaG ) состоят из одной белковой единицы (мономера) и синтезируют праймеры РНК, примазы AEP обычно состоят из двух разных единиц примазы (гетеродимера) и синтезируют двухчастные праймеры с компонентами как РНК, так и ДНК. . [7] Хотя эти два суперсемейства примаз функционально схожи, они развивались независимо друг от друга.

ДНК

Кристаллическая структура примазы в E. coli с ядром, содержащим белок DnaG , была определена в 2000 году. [4] Комплекс DnaG и примазы имеет форму кешью и содержит три субдомена. [4] Центральный субдомен образует складку топрима, состоящую из пяти бета-листов и шести альфа-спиралей . [4] [8] Складка топрима используется для связывания регуляторов и металлов. Примаза использует фосфопереносной домен для координации переноса металлов, что отличает ее от других полимераз. [4] Боковые субъединицы содержат терминали NH 2 и COOH , состоящие из альфа-спиралей и бета-листов. [4] Конец NH 2 взаимодействует с доменом связывания цинка и COOH-концевой областью, которая взаимодействует с DnaB-ID. [4]

Складка Топрима также обнаружена в топоизомеразе и митохондриальной примазе /хеликазе Твинкл. [8] Некоторые DnaG-подобные (бактериоподобные; InterPro :  IPR020607 ) примазы были обнаружены в геномах архей. [9]

АЭП

Эукариотные и архейные примазы, как правило, более похожи друг на друга с точки зрения структуры и механизма, чем на бактериальные примазы. [10] [11] Суперсемейство архей-эукариотических примаз (AEP), к которому принадлежит большинство каталитических субъединиц эукариальных и архейных примаз, недавно было переопределено как семейство примаз-полимераз в знак признания многих других ролей, которые играют ферменты в этом семействе. . [12] Эта классификация также подчеркивает широкое происхождение примас AEP; теперь считается, что суперсемейство осуществляет переход между функциями РНК и ДНК. [13]

Примазы архей и эукариот представляют собой гетеродимерные белки с одной большой регуляторной ( PRIM2 человека , p58) и одной малой каталитической субъединицей ( PRIM1 человека , p48/p49). [2] Большая субъединица содержит N-концевой кластер 4Fe–4S, расщепленный у некоторых архей как PriX/PriCT. [14] Большая субъединица участвует в улучшении активности и специфичности малой субъединицы. Например, удаление части, соответствующей большой субъединице, в слитом белке PolpTN2 приводит к более медленному ферменту с активностью обратной транскриптазы. [13]

Многофункциональные примы

Рисунок 1. Выберите многофункциональные примазы в трех сферах жизни (эукариоты, археи и бактерии). Способность примазы выполнять ту или иную деятельность отмечена галочкой. Адаптирован из. [12]

Семейство примаз-полимераз AEP обладает разнообразными особенностями, помимо создания только праймеров. В дополнение к праймированию ДНК во время репликации, ферменты AEP могут выполнять дополнительные функции в процессе репликации ДНК, такие как полимеризация ДНК или РНК, терминальный перенос , синтез транслейкоза (TLS) , негомологическое соединение концов (NHEJ) [ 12] и возможно, при перезапуске остановленных вилок репликации. [15] Примазы обычно синтезируют праймеры из рибонуклеотидов (NTP); однако примазы с полимеразными способностями также обладают сродством к дезоксирибонуклеотидам (дНТФ). [16] [11] Примазы с терминальной трансферазной функциональностью способны добавлять нуклеотиды к 3'-концу цепи ДНК независимо от матрицы. Другие ферменты, участвующие в репликации ДНК, например хеликазы, также могут проявлять примазную активность. [17]

У эукариот и архей

Человеческий PrimPol (ccdc111 [16] ) выполняет функции как примазы, так и полимеразы, как и многие архейные примазы; проявляет терминальную трансферазную активность в присутствии марганца; и играет значительную роль в синтезе транслейкоза [18] и в перезапуске остановленных репликационных вилок. PrimPol активно рекрутируется в поврежденные участки посредством взаимодействия с RPA, белком-адаптером, который облегчает репликацию и восстановление ДНК. [15] PrimPol имеет домен цинкового пальца, аналогичный домену некоторых вирусных примаз, который важен для синтеза транслейкоза и активности примазы и может регулировать длину праймера. [18] В отличие от большинства примаз, PrimPol обладает уникальной способностью начинать цепи ДНК с dNTP. [16]

PriS, малая субъединица примазы архей, играет роль в синтезе транслейкоза (TLS) и может обходить распространенные повреждения ДНК. У большинства архей отсутствуют специализированные полимеразы, которые осуществляют TLS у эукариот и бактерий. [19] PriS сам по себе преимущественно синтезирует цепочки ДНК; но в сочетании с PriL активность большой субъединицы РНК-полимеразы увеличивается. [20]

У Sulfolobus solfataricus гетеродимер примазы PriSL может действовать как примаза, полимераза и терминальная трансфераза. Считается, что PriSL инициирует синтез праймеров с помощью NTP, а затем переключается на dNTP. Фермент может полимеризовать цепи РНК или ДНК, при этом длина продуктов ДНК достигает 7000 нуклеотидов (7 т.п.н.). Предполагается, что эта двойная функциональность может быть общей чертой архейных примат. [11]

У бактерий

Многофункциональные примазы АЭП появляются также у бактерий и фагов, их заражающих. Они могут отображать новые организации доменов с доменами, которые приносят еще больше функций, помимо полимеризации. [14]

Бактериальный LigD ( A0R3R7 ) в первую очередь участвует в пути NHEJ. Он имеет полимеразный/примазный домен суперсемейства AEP, 3'-фосфоэстеразный домен и лигазный домен. Он также способен проявлять активность примазы, ДНК и РНК-полимеразы и терминальной трансферазы. Активность полимеризации ДНК может образовывать цепи длиной более 7000 нуклеотидов (7 т.п.н.), тогда как полимеризация РНК дает цепи длиной до 1 т.п.н. [21]

В вирусах и плазмидах

Ферменты AEP широко распространены, и их можно обнаружить закодированными в мобильных генетических элементах, включая вирусы/фаги и плазмиды. Они используют их либо в качестве единственного белка репликации, либо в сочетании с другими белками, связанными с репликацией, такими как хеликазы и, реже, ДНК-полимеразы. [22] В то время как присутствие AEP в эукариотических и архейных вирусах ожидается, поскольку они отражают своих хозяев, [22] бактериальные вирусы и плазмиды также часто кодируют ферменты суперсемейства AEP, как и примазы семейства DnaG. [14] В результате сравнительных геномных исследований в различных бактериальных плазмидах было обнаружено большое разнообразие семейств AEP . [14] Их эволюционная история в настоящее время неизвестна, поскольку они, обнаруженные в бактериях и бактериофагах, слишком отличаются от своих архео-эукариотических гомологов для недавнего горизонтального переноса генов . [22]

MCM-подобная геликаза в штамме Bacillus cereus ATCC 14579 (BcMCM; Q81EV1 ) представляет собой геликазу SF6, слитую с примазой AEP. Помимо функции геликазы, фермент выполняет функции как примазы, так и полимеразы. Ген, кодирующий его, находится в профаге. [17] Он имеет гомологию с ORF904 плазмиды pRN1 из Sulfolobus Islandicus , которая имеет домен AEP PrimPol. [23] Вирус осповакцины D5 и примаза простого герпеса также являются примерами слияния AEP-хеликазы. [12] [6]

PolpTN2 представляет собой примазу архей, обнаруженную в плазмиде TN2. Представляя собой слияние доменов, гомологичных PriS и PriL, он проявляет как примазную, так и ДНК-полимеразную активность, а также функцию терминальной трансферазы. В отличие от большинства примаз, PolpTN2 образует праймеры, состоящие исключительно из dNTP. [13] Неожиданно, когда PriL-подобный домен был усечен, PolpTN2 также мог синтезировать ДНК на матрице РНК, т.е. действовать как РНК-зависимая ДНК-полимераза (обратная транскриптаза). [13]

Даже примасы DnaG могут иметь дополнительные функции, если им предоставлены правильные домены. Фаг T7 gp4 представляет собой слияние примазы и геликазы DnaG и выполняет обе функции при репликации. [5]

Рекомендации

  1. ^ Бокье А.А., Лю Л., Канн И.К., Комори К., Кода Д., Ишино Ю. (март 2001 г.). «Архейная примаза: преодоление разрыва между РНК и ДНК-полимеразами». Современная биология . 11 (6): 452–6. дои : 10.1016/s0960-9822(01)00119-1 . ПМИД  11301257.
  2. ^ аб Барановский А.Г., Чжан Ю., Сува Ю., Бабаева Н.Д., Гу Дж., Павлов Ю.И., Тахиров Т.Д. (февраль 2015 г.). «Кристаллическая структура примазы человека». Журнал биологической химии . 290 (9): 5635–46. дои : 10.1074/jbc.M114.624742 . ПМЦ 4342476 . ПМИД  25550159. 
  3. ^ abc Griep MA (август 1995 г.). «Структура и функции примазы». Индийский журнал биохимии и биофизики . 32 (4): 171–8. ПМИД  8655184.
  4. ^ abcdefg Кек Дж.Л., Рош Д.Д., Линч А.С., Бергер Дж.М. (март 2000 г.). «Структура РНК-полимеразного домена примазы E. coli». Наука . 287 (5462): 2482–6. Бибкод : 2000Sci...287.2482K. дои : 10.1126/science.287.5462.2482. ПМИД  10741967.
  5. ^ abc Lee JB, Hite RK, Hamdan SM, Xie XS, Richardson CC, van Oijen AM (февраль 2006 г.). «ДНК-примаза действует как молекулярный тормоз при репликации ДНК» (PDF) . Природа . 439 (7076): 621–4. Бибкод : 2006Natur.439..621L. дои : 10.1038/nature04317. PMID  16452983. S2CID  3099842.
  6. ^ abcd Кавано Н.А., Кучта Р.Д. (январь 2009 г.). «Инициирование новых цепей ДНК комплексом примаза-хеликаза вируса простого герпеса-1 и либо ДНК-полимеразой герпеса, либо ДНК-полимеразой альфа человека». Журнал биологической химии . 284 (3): 1523–32. дои : 10.1074/jbc.M805476200 . ПМЦ 2615532 . ПМИД  19028696. 
  7. ^ Кек Дж.Л., Бергер Дж.М. (январь 2001 г.). «Primus inter pares (первый среди равных)». Структурная биология природы . 8 (1): 2–4. дои : 10.1038/82996. PMID  11135655. S2CID  17108681.
  8. ^ аб Аравинд Л., Лейпе Д.Д., Кунин Е.В. (сентябрь 1998 г.). «Топрим - консервативный каталитический домен в топоизомеразах типа IA и II, примазах типа DnaG, нуклеазах семейства OLD и белках RecR». Исследования нуклеиновых кислот . 26 (18): 4205–13. дои : 10.1093/нар/26.18.4205. ПМЦ 147817 . ПМИД  9722641. 
  9. ^ Хоу Л, Клуг Г, Евгеньева-Хакенберг Э (март 2013 г.). «Белок DnaG архей нуждается в Csl4 для связывания с экзосомой и усиливает его взаимодействие с РНК, богатыми аденином». Биология РНК . 10 (3): 415–24. дои : 10.4161/rna.23450. ПМЦ 3672285 . ПМИД  23324612. 
  10. ^ Айер Л.М., Кунин Е.В., Лейпе Д.Д., Аравинд Л. (2005). «Происхождение и эволюция суперсемейства архео-эукариотических примаз и родственных белков пальмового домена: структурные данные и новые члены». Исследования нуклеиновых кислот . 33 (12): 3875–96. дои : 10.1093/nar/gki702. ПМК 1176014 . ПМИД  16027112. 
  11. ^ abc Lao-Sirieix SH, Bell SD (декабрь 2004 г.). «Гетеродимерная примаза гипертермофильных архей Sulfolobus solfataricus обладает активностью ДНК и РНК-примазы, полимеразы и 3'-концевой нуклеотидилтрансферазной активности». Журнал молекулярной биологии . 344 (5): 1251–63. дои : 10.1016/j.jmb.2004.10.018. ПМИД  15561142.
  12. ^ abcd Гиллиам Т.А., Кин Б.А., Бриссетт, Северная Каролина, Доэрти А.Дж. (август 2015 г.). «Примазы-полимеразы представляют собой функционально разнообразное суперсемейство ферментов репликации и репарации». Исследования нуклеиновых кислот . 43 (14): 6651–64. дои : 10.1093/nar/gkv625. ПМЦ 4538821 . ПМИД  26109351. 
  13. ^ abcd Гилл С., Крупович М., Десну Н., Беген П., Сезонов Г., Фортер П. (апрель 2014 г.). «Сильно дивергентная архео-эукариотическая примаза из плазмиды Thermococcus nautilus, pTN2». Исследования нуклеиновых кислот . 42 (6): 3707–19. дои : 10.1093/nar/gkt1385. ПМЦ 3973330 . ПМИД  24445805. 
  14. ^ abcd Казлаускас Д., Сезонов Г., Чарпин Н., Венцловас Ч., Фортерре П., Крупович М. (март 2018 г.). «Новые семейства архео-эукариотических примаз, ассоциированные с мобильными генетическими элементами бактерий и архей». Журнал молекулярной биологии . 430 (5): 737–750. дои : 10.1016/j.jmb.2017.11.014. ПМЦ 5862659 . ПМИД  29198957. 
  15. ^ Аб Ван Л, Лу Дж, Ся Ю, Су Б, Лю Т, Цуй Дж, Сунь Ю, Лу Х, Хуан Дж (декабрь 2013 г.). «hPrimpol1/CCDC111 представляет собой ДНК-примазу-полимеразу человека, необходимую для поддержания целостности генома». Отчеты ЭМБО . 14 (12): 1104–12. дои : 10.1038/embor.2013.159. ПМЦ 3981091 . ПМИД  24126761. 
  16. ^ abc Гарсиа-Гомес С., Рейес А., Мартинес-Хименес М.И., Чокрон Э.С., Мурон С., Террадос Г., Пауэлл С., Салидо Е., Мендес Дж., Холт И.Дж., Бланко Л. (ноябрь 2013 г.). «PrimPol, архаичная примаза/полимераза, действующая в клетках человека». Молекулярная клетка . 52 (4): 541–53. doi :10.1016/j.molcel.2013.09.025. ПМК 3899013 . ПМИД  24207056. 
  17. ^ ab Санчес-Беррондо Дж., Меса П., Ибарра А., Мартинес-Хименес М.И., Бланко Л., Мендес Дж., Боскович Дж., Монтойя Г. (февраль 2012 г.). «Молекулярная архитектура многофункционального комплекса МКМ». Исследования нуклеиновых кислот . 40 (3): 1366–80. дои : 10.1093/nar/gkr831. ПМЦ 3273815 . ПМИД  21984415. 
  18. ^ ab Keen BA, Jozwiakowski SK, Bailey LJ, Bianchi J, Doherty AJ (май 2014 г.). «Молекулярное исследование доменной архитектуры и каталитической активности человеческого PrimPol». Исследования нуклеиновых кислот . 42 (9): 5830–45. дои : 10.1093/nar/gku214. ПМК 4027207 . ПМИД  24682820. 
  19. ^ Йозвяковски С.К., Боразжани Голами Ф, Доэрти А.Дж. (февраль 2015 г.). «Архейные репликативные примазы могут осуществлять синтез ДНК с транслейкозом». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 112 (7): Е633-8. Бибкод : 2015PNAS..112E.633J. дои : 10.1073/pnas.1412982112 . ПМЦ 4343091 . ПМИД  25646444. 
  20. ^ Барри Э.Р., Белл С.Д. (декабрь 2006 г.). «Репликация ДНК у архей». Обзоры микробиологии и молекулярной биологии . 70 (4): 876–87. дои : 10.1128/MMBR.00029-06. ПМК 1698513 . ПМИД  17158702. 
  21. ^ Лао-Сирье С.Х., Пеллегрини Л., Белл С.Д. (октябрь 2005 г.). «Распутная примаса». Тенденции в генетике . 21 (10): 568–72. дои : 10.1016/j.tig.2005.07.010. ПМИД  16095750.
  22. ^ abc Казлаускас Д., Крупович М., Венцловас Ч. (июнь 2016 г.). «Логика репликации ДНК в вирусах с двухцепочечной ДНК: результаты глобального анализа вирусных геномов». Исследования нуклеиновых кислот . 44 (10): 4551–64. дои : 10.1093/nar/gkw322. ПМЦ 4889955 . ПМИД  27112572. 
  23. ^ Липпс Г., Вайнцирль А.О., фон Шевен Г., Бухен С., Крамер П. (февраль 2004 г.). «Структура бифункциональной ДНК-примазы-полимеразы». Структурная и молекулярная биология природы . 11 (2): 157–62. дои : 10.1038/nsmb723. PMID  14730355. S2CID  25123984.

Внешние ссылки