بوليميراز الحمض النووي الأول

📅 آخر تحديث: ١ أغسطس ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ١ أغسطس ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 2 صور
الموسوعة الحرة

إنزيم بوليميراز الحمض النووي الأول (أو Pol I ) هو إنزيم يشارك في عملية تضاعف الحمض النووي في بدائيات النوى . اكتشفه آرثر كورنبرغ عام 1956، [ 1 ] وكان أول بوليميراز معروف للحمض النووي (وأول بوليميراز معروف من أي نوع ). تم توصيفه مبدئيًا في بكتيريا الإشريكية القولونية ، وهو موجود في جميع بدائيات النوى . في الإشريكية القولونية والعديد من البكتيريا الأخرى، يُعرف الجين الذي يُشفّر Pol I باسم polA . يتكون إنزيم Pol I في الإشريكية  القولونية من 928 حمضًا أمينيًا، وهو مثال على الإنزيم المُتتابع - إذ يمكنه تحفيز خطوات بلمرة متعددة بالتتابع دون تحرير القالب أحادي السلسلة. [ 2 ] تتمثل الوظيفة الفسيولوجية لـ Pol I بشكل أساسي في دعم إصلاح الحمض النووي التالف، ولكنه يُساهم أيضًا في ربط قطع أوكازاكي عن طريق حذف بادئات الحمض النووي الريبي واستبدال النيوكليوتيدات الريبية بالحمض النووي.

اكتشاف

في عام ١٩٥٦، اكتشف آرثر كورنبرغ وزملاؤه بوليميراز الحمض النووي الأول (Pol I) باستخدام مستخلصات بكتيريا الإشريكية القولونية ( E. coli ) لتطوير اختبار لتخليق الحمض النووي. أضاف العلماء الثيميدين الموسوم بالكربون-١٤ ( ١٤C ) لاستخلاص بوليمر مشع من الحمض النووي (DNA)، وليس الحمض النووي الريبي (RNA). لبدء تنقية بوليميراز الحمض النووي، أضاف الباحثون كبريتات الستربتومايسين إلى مستخلص الإشريكية القولونية . أدى ذلك إلى فصل المستخلص إلى راشح خالٍ من الأحماض النووية (الكسر S) ورواسب تحتوي على الأحماض النووية (الكسر P). احتوى الكسر P أيضًا على بوليميراز الحمض النووي الأول (Pol I) وعوامل مقاومة للحرارة ضرورية لتفاعلات تخليق الحمض النووي. تم تحديد هذه العوامل على أنها نيوكليوسيد ثلاثي الفوسفات ، وهي الوحدات البنائية للأحماض النووية. احتوى الكسر S على العديد من كينازات ديوكسي نيوكليوسيد . [ 3 ] في عام 1959، مُنحت جائزة نوبل في علم وظائف الأعضاء أو الطب إلى آرثر كورنبرغ وسيفيرو أوتشوا "لاكتشافهما الآليات المشاركة في التخليق البيولوجي للحمض النووي الريبي والحمض النووي الريبي منقوص الأكسجين ". [ 4 ]

آرثر كورنبرغ 1969

البنية والوظيفة

الهيكل العام

يؤدي بوليميراز الحمض النووي الأول (Pol I) وظيفةً رئيسيةً في إصلاح الحمض النووي التالف. من الناحية التركيبية، ينتمي Pol I إلى عائلة البروتينات ألفا/بيتا، التي تضم بروتينات تحتوي على حلزونات ألفا وخيوط بيتا بتسلسلات غير منتظمة. يتكون بوليميراز الحمض النووي الأول في بكتيريا الإشريكية القولونية من نطاقات متعددة ذات ثلاثة أنشطة إنزيمية متميزة. تعمل ثلاثة نطاقات، يُشار إليها غالبًا بنطاق الإبهام والسبابة والكف، معًا للحفاظ على نشاط بوليميراز الحمض النووي. [ 5 ] يحتوي نطاق رابع مجاور لنطاق الكف على موقع نشط للإكسونوكلياز ، والذي يزيل النيوكليوتيدات المُدمجة بشكل خاطئ في اتجاه 3' إلى 5' في عملية تُعرف بالتدقيق. يحتوي نطاق خامس على موقع نشط آخر للإكسونوكلياز، والذي يزيل الحمض النووي أو الحمض النووي الريبي في اتجاه 5' إلى 3'، وهو ضروري لإزالة بادئات الحمض النووي الريبي أثناء تضاعف الحمض النووي أو الحمض النووي أثناء عمليات إصلاح الحمض النووي.

تنتج بكتيريا الإشريكية القولونية 5 أنواع مختلفة من بوليميراز الحمض النووي: بوليميراز الحمض النووي الأول، وبوليميراز الحمض النووي الثاني، وبوليميراز الحمض النووي الثالث، وبوليميراز الحمض النووي الرابع، وبوليميراز الحمض النووي الخامس. [ 6 ]

التشابه الهيكلي والوظيفي مع بوليميرازات أخرى

في عملية تضاعف الحمض النووي، يمتد شريط الحمض النووي الرائد بشكل مستمر في اتجاه حركة شوكة التضاعف، بينما يمتد شريط الحمض النووي المتأخر بشكل متقطع في الاتجاه المعاكس كما هو الحال في قطع أوكازاكي . [ 7 ] لا تستطيع بوليميرازات الحمض النووي بدء سلاسل الحمض النووي، لذا يجب أن تبدأ بواسطة أجزاء قصيرة من الحمض النووي الريبي أو الحمض النووي تُعرف باسم البادئات. [ 5 ] لكي تحدث عملية بلمرة الحمض النووي، يجب استيفاء شرطين. أولًا، يجب أن تحتوي جميع بوليميرازات الحمض النووي على شريط قالب وشريط بادئ. على عكس الحمض النووي الريبي، لا تستطيع بوليميرازات الحمض النووي تصنيع الحمض النووي من شريط قالب. يجب أن يبدأ التخليق بواسطة جزء قصير من الحمض النووي الريبي، يُعرف باسم بادئ الحمض النووي الريبي ، والذي يتم تصنيعه بواسطة إنزيم البرايميز في الاتجاه من 5' إلى 3'. ثم يحدث تخليق الحمض النووي عن طريق إضافة نيوكليوتيد ثلاثي الفوسفات (dNTP) إلى مجموعة الهيدروكسيل 3' في نهاية شريط الحمض النووي الموجود مسبقًا أو بادئ الحمض النووي الريبي. ثانيًا، لا تستطيع بوليميرازات الحمض النووي إضافة نيوكليوتيدات جديدة إلى السلسلة الموجودة مسبقًا إلا من خلال الروابط الهيدروجينية. [ 6 ] ولأن جميع بوليميرازات الحمض النووي لها بنية متشابهة، فإنها تشترك في آلية بوليميراز محفزة بأيونين معدنيين. يقوم أحد الأيونين المعدنيين بتنشيط مجموعة الهيدروكسيل 3' للبادئ، والتي بدورها تهاجم مجموعة الفوسفات 5' الأولية للنيوكليوتيد ثلاثي الفوسفات (dNTP). أما الأيون المعدني الثاني فيعمل على تثبيت الشحنة السالبة لذرة الأكسجين الخارجة، ثم يرتبط بمجموعتي الفوسفات الخارجتين. [ 8 ]

تُوصَف البنية البلورية بالأشعة السينية لنطاقات بوليميراز الحمض النووي DNA بتشبيهها باليد اليمنى للإنسان. تحتوي جميع بوليميرازات الحمض النووي DNA على ثلاثة نطاقات. النطاق الأول، المعروف باسم "نطاق الأصابع"، يتفاعل مع النيوكليوتيد ثلاثي الفوسفات (dNTP) وقاعدة القالب المزدوجة. كما يتفاعل "نطاق الأصابع" مع القالب لوضعه في الموضع الصحيح في الموقع النشط. [ 9 ] النطاق الثاني، المعروف باسم "نطاق راحة اليد"، يحفز تفاعل نقل مجموعة الفوسفوريل. وأخيرًا، النطاق الثالث، المعروف باسم "نطاق الإبهام"، يتفاعل مع الحمض النووي DNA ثنائي السلاسل. [ 10 ] يحتوي نطاق الإكسونوكلياز على موقعه التحفيزي الخاص ويزيل القواعد غير المتطابقة. من بين عائلات بوليميراز الحمض النووي DNA السبع المختلفة، يُحفظ "نطاق راحة اليد" في خمس منها. أما "نطاق الأصابع" و"نطاق الإبهام" فلا يتطابقان في كل عائلة بسبب اختلاف عناصر البنية الثانوية الناتجة عن التسلسلات المختلفة. [ 9 ]

وظيفة

يمتلك بوليميراز الحمض النووي الأول أربعة أنشطة إنزيمية:

  1. نشاط بوليميراز الحمض النووي المعتمد على الحمض النووي 5'→3' (الأمامي)، والذي يتطلب موقع بادئ 3 ' وشريط قالب
  2. نشاط إكسونوكلياز عكسي من 3' إلى 5' (3'→5') يعمل على تدقيق النصوص
  3. نشاط إكسونوكلياز 5'→3' (أمامي) يتوسط ترجمة الشق أثناء إصلاح الحمض النووي .
  4. نشاط بوليميراز الحمض النووي المعتمد على الحمض النووي الريبي (RNA) من الطرف 5' إلى الطرف 3' (الأمامي). يعمل بوليميراز الحمض النووي الأول (Pol I) على قوالب الحمض النووي الريبي بكفاءة أقل بكثير (0.1 - 0.4%) مقارنةً بقوالب الحمض النووي، ومن المحتمل أن يكون لهذا النشاط أهمية بيولوجية محدودة. [ 11 ]

لتحديد ما إذا كان بوليميراز الحمض النووي الأول (Pol I) يُستخدم بشكل أساسي لتضاعف الحمض النووي أو لإصلاح تلفه، أُجريت تجربة على سلالة متحولة من بكتيريا الإشريكية القولونية ( E. coli ) تفتقر إلى بوليميراز الحمض النووي الأول. عُزلت السلالة المتحولة التي تفتقر إلى بوليميراز الحمض النووي الأول وعُولجت بمادة مطفرة. نمت مستعمرات بكتيرية من السلالة المتحولة بشكل طبيعي، وكانت تفتقر أيضًا إلى بوليميراز الحمض النووي الأول. أكد هذا أن بوليميراز الحمض النووي الأول ليس ضروريًا لتضاعف الحمض النووي. مع ذلك، أظهرت السلالة المتحولة أيضًا خصائص تنطوي على حساسية شديدة لعوامل معينة تُتلف الحمض النووي، مثل الأشعة فوق البنفسجية . وبالتالي، أكد هذا مجددًا أن بوليميراز الحمض النووي الأول يُرجح أن يكون له دور في إصلاح تلف الحمض النووي بدلًا من تضاعفه. [ 6 ]

الآلية

في عملية التضاعف، يقوم إنزيم RNase H بإزالة بادئ الحمض النووي الريبي (الذي يُنتجه إنزيم البرايميز ) من السلسلة المتأخرة ، ثم يقوم إنزيم بوليميراز I بإضافة النيوكليوتيدات اللازمة بين قطع أوكازاكي (انظر تضاعف الحمض النووي ) في اتجاه 5'→3'، مع تصحيح الأخطاء أثناء العملية. وهو إنزيم يعتمد على القالب، إذ يُضيف فقط النيوكليوتيدات التي تتوافق قواعدها مع سلسلة الحمض النووي الموجودة التي تعمل كقالب. من الضروري أن تكون هذه النيوكليوتيدات في الاتجاه والشكل الهندسي الصحيحين لتتوافق قواعدها مع سلسلة قالب الحمض النووي، حتى يتمكن إنزيم ليغاز الحمض النووي من ربط القطع المختلفة معًا لتكوين سلسلة متصلة من الحمض النووي . وقد أكدت الدراسات التي أُجريت على إنزيم بوليميراز I أن النيوكليوتيدات ثلاثية الفوسفات (dNTPs) المختلفة يمكنها الارتباط بنفس الموقع النشط على هذا الإنزيم. ولا يستطيع إنزيم بوليميراز I التمييز بين النيوكليوتيدات ثلاثية الفوسفات المختلفة إلا بعد أن يخضع لتغيير في بنيته . بمجرد حدوث هذا التغيير، يتحقق بوليميراز الحمض النووي الريبي الأول (Pol I) من صحة هندسة ومحاذاة زوج القاعدة المتكون بين النيوكليوتيد المرتبط (dNTP) والقاعدة المطابقة له على شريط القالب. تُعد أزواج القواعد A=T و G≡C ذات الهندسة الصحيحة هي الوحيدة التي يمكنها التواجد في الموقع النشط . مع ذلك، من المهم معرفة أن نيوكليوتيدًا واحدًا من كل 10⁴ إلى 10⁵ يُضاف بشكل خاطئ. ومع ذلك، يستطيع بوليميراز الحمض النووي الريبي الأول (Pol I) تصحيح هذا الخطأ في تضاعف الحمض النووي باستخدام طريقته الانتقائية للتمييز النشط. [ 5 ]

على الرغم من توصيفه المبكر، سرعان ما اتضح أن بوليميراز I ليس الإنزيم المسؤول عن معظم عملية تخليق الحمض النووي (DNA)، إذ تتم عملية تضاعف الحمض النووي في بكتيريا الإشريكية القولونية بمعدل 1000 نيوكليوتيد/ثانية تقريبًا، بينما يتراوح معدل تخليق أزواج القواعد بواسطة بوليميراز I بين 10 و20 نيوكليوتيد/ثانية فقط. علاوة على ذلك، فإن وفرته الخلوية التي تبلغ حوالي 400 جزيء لكل خلية لا تتناسب مع حقيقة وجود شوكتين تضاعفيتين فقط في بكتيريا الإشريكية القولونية . إضافة إلى ذلك، فهو غير قادر على نسخ جينوم كامل ، إذ يتوقف عن النسخ بعد دمج 25-50 نيوكليوتيد فقط . وقد ثبت دوره في التضاعف عندما عزل جون كيرنز ، عام 1969، طفرة قابلة للحياة من بوليميراز I تفتقر إلى نشاط البوليميراز. [ 12 ] قامت باولا دي لوسيا، مساعدة كيرنز في المختبر، بتحضير آلاف المستخلصات الخالية من الخلايا من مستعمرات الإشريكية القولونية ، وقامت بتحليلها بحثًا عن نشاط بوليميراز الحمض النووي. احتوى المستنسخ رقم 3478 على طفرة polA ، التي أطلق عليها كيرنز هذا الاسم نسبةً إلى "باولا" [دي لوسيا]. [ 13 ] ولم يتم تحديد بوليميراز الحمض النووي التضاعفي الرئيسي إلا بعد اكتشاف بوليميراز الحمض النووي III .

تطبيقات البحث

بوليميراز الحمض النووي الأول: جزء كلينو (PDB 1KLN EBI) [ 14 ]

يُستخدم بوليميراز الحمض النووي الأول المُستخلص من بكتيريا الإشريكية القولونية على نطاق واسع في أبحاث البيولوجيا الجزيئية . مع ذلك، فإن نشاطه الإكسونوكليازي 5'→3' يجعله غير مناسب للعديد من التطبيقات. يمكن إزالة هذا النشاط الإنزيمي غير المرغوب فيه بسهولة من الإنزيم الكامل، ليتبقى جزيء مفيد يُسمى شظية كلينو ، والذي يُستخدم على نطاق واسع في البيولوجيا الجزيئية . في الواقع، استُخدمت شظية كلينو خلال البروتوكولات الأولى لتضخيم تفاعل البوليميراز المتسلسل (PCR) حتى اكتُشفت بكتيريا ثيرموس أكواتيكوس ، مصدر بوليميراز Taq الأول المقاوم للحرارة، في عام 1976. [ 15 ] يؤدي تعريض بوليميراز الحمض النووي الأول لبروتياز سوبتيليزين إلى شطر الجزيء إلى شظية أصغر، تحتفظ فقط بنشاطي بوليميراز الحمض النووي والتدقيق.

انظر أيضاً

مراجع

  1. ↑ ليمان، آي آر، بيسمان، إم جيه، سيمز، إي إس، كورنبرغ، إيه (يوليو 1958). "التخليق الإنزيمي للحمض النووي الريبوزي منقوص الأكسجين. 1. تحضير الركائز والتنقية الجزئية لإنزيم من الإشريكية القولونية " . مجلة الكيمياء البيولوجية . 233 (1): 163-170 . doi : 10.1016/S0021-9258(19)68048-8 . PMID 13563462 . 
  2. ^ فويت د، فويت جي جي، برات سي دبليو (1999). أساسيات الكيمياء الحيوية . نيويورك: وايلي.
  3. ↑ ليمان، آي آر (سبتمبر 2003). "اكتشاف بوليميراز الحمض النووي" . مجلة الكيمياء البيولوجية . 278 (37): 34733-34738 . doi : 10.1074/jbc.X300002200 . PMID 12791679 . 
  4. ↑ «جائزة نوبل في الطب أو علم وظائف الأعضاء لعام 1959» . www.nobelprize.org . تاريخ الاطلاع: 8 نوفمبر 2016 .
  5. 1 2 3 كوكس إم إم، دودنا جيه (2015). البيولوجيا الجزيئية ( الطبعة الثانية). نيويورك: دبليو إتش فريمان. 
  6. 1 2 3 كوبر، جيفري م. جيفري (2000-01-01). "تضاعف الحمض النووي" . سيناور أسوشيتس.{{cite journal}}يتطلب الاستشهاد بالمجلة ( مساعدة )|journal=
  7. ^ هوبشر يو، سباداري إس، فيلاني جي، ماجا جي (2010). بوليميرات الحمض النووي . دوى : 10.1142/7667 . رقم ISBN 978-981-4299-16-9.
  8. ↑ "بوليميراز الحمض النووي الأول: التفاعلات الإنزيمية" .
  9. 1 2 "MBIO.4.14.5" . bioscience.jbpub.com . مؤرشف من الأصل بتاريخ 30-09-2017 . تم الاطلاع عليه بتاريخ 14-05-2017 .
  10. ↑ لوب إل إيه، مونات آر جيه (أغسطس 2008). "بوليميرازات الحمض النووي والأمراض البشرية". مجلة نيتشر ريفيوز جينيتكس . 9 (8): 594-604 . doi : 10.1038/nrg2345 . PMID 18626473. S2CID 3344014 .  
  11. ↑ ريكيتي م، بوك هـ (فبراير 1993). " بوليميراز الحمض النووي الأول في الإشريكية القولونية كإنزيم نسخ عكسي" . مجلة EMBO . 12 (2): 387-396 . doi : 10.1002/j.1460-2075.1993.tb05670.x . PMC 413221. PMID 7679988 .  
  12. ↑ دي لوسيا، ب.، وكيرنز، ج. (ديسمبر 1969). "عزل سلالة من الإشريكية القولونية تحمل طفرة تؤثر على بوليميراز الحمض النووي". مجلة نيتشر . 224 (5225): 1164-1166 . Bibcode : 1969Natur.224.1164D . doi : 10.1038/2241164a0 . PMID: 4902142. S2CID : 4182917 .  
  13. ↑ فريدبيرغ ، إي سي (فبراير 2006). "إنزيم يوريكا: اكتشاف بوليميراز الحمض النووي". مجلة نيتشر ريفيوز لعلم الأحياء الخلوي الجزيئي . 7 (2): 143-147 . doi : 10.1038/nrm1787 . PMID 16493419. S2CID 39605644 .  
  14. ↑ EMBL-EBI. "المعهد الأوروبي للمعلوماتية الحيوية التابع للمعهد الأوروبي للمعلوماتية الحيوية" . www.ebi.ac.uk. تاريخ الاسترجاع: 8 نوفمبر 2016 .
  15. ↑ فان بيلت-فيركويل إي، فان بيلكوم أ، هايز جيه بي (2008). "إنزيم Taq وبوليميرازات الحمض النووي الأخرى المقاومة للحرارة". مبادئ وجوانب تقنية لتضخيم تفاعل البوليميراز المتسلسل . الصفحات 103-118 . doi : 10.1007/978-1-4020-6241-4_7 . ISBN  978-1-4020-6240-7.