ДНК-примаза - это фермент, участвующий в репликации ДНК, и это тип РНК-полимеразы . Примаза катализирует синтез короткого сегмента РНК (или ДНК в некоторых организмах [1] ), называемого праймером, комплементарным матрице оцДНК (одноцепочечной ДНК). После этого удлинения участок РНК удаляется экзонуклеазой от 5 'до 3' и снова заполняется ДНК.
Домен Toprim | ||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Идентификаторы | ||||||||
Символ | Топрим | |||||||
Pfam | PF01751 | |||||||
Клан пфам | Топрим-подобный | |||||||
ИнтерПро | IPR006171 | |||||||
SCOP2 | 2fcj / SCOPe / SUPFAM | |||||||
|
Каталитическое ядро ДНК-примазы | ||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Идентификаторы | ||||||||
Символ | Toprim_N | |||||||
Pfam | PF08275 | |||||||
ИнтерПро | IPR013264 | |||||||
SCOP2 | 1dd9 / SCOPe / SUPFAM | |||||||
|
ДНК-примаза, малая субъединица | ||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Идентификаторы | ||||||||
Символ | ДНК_примаза_S | |||||||
Pfam | PF01896 | |||||||
Клан пфам | AEP | |||||||
ИнтерПро | IPR002755 | |||||||
SCOP2 | 1g71 / СФЕРА / СУПФАМ | |||||||
|
ДНК-примаза, большая субъединица | ||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Идентификаторы | ||||||||
Символ | DNA_primase_lrg | |||||||
Pfam | PF04104 | |||||||
Клан пфам | CL0242 | |||||||
ИнтерПро | IPR007238 | |||||||
SCOP2 | 1zt2 / SCOPe / SUPFAM | |||||||
|
Функция
У бактерий праймаза связывается с ДНК-геликазой, образуя комплекс, называемый примосомой . Примаза активируется геликазой, которая затем синтезирует короткий праймер РНК длиной примерно 11 ± 1 нуклеотид , к которому новые нуклеотиды могут быть добавлены ДНК-полимеразой. Примазы архей и эукариот представляют собой гетеродимерные белки с одной большой регуляторной и одной маленькой каталитической субъединицей. [2]
Сегменты РНК сначала синтезируются примазой, а затем удлиняются ДНК-полимеразой. [3] Затем ДНК-полимераза образует белковый комплекс с двумя субъединицами примазы, чтобы сформировать комплекс примазы альфа-ДНК-полимеразы. Primase - одна из наиболее подверженных ошибкам и медленных полимераз. [3] Примазы в организмах, таких как E. coli, синтезируют от 2000 до 3000 праймеров со скоростью один праймер в секунду. [4] Примаза также действует как останавливающий механизм, чтобы предотвратить опережение ведущей нити от отстающей нити , останавливая продвижение репликационной вилки . [5] Шаг определения скорости в примазе - это когда первая фосфодиэфирная связь образуется между двумя молекулами РНК. [3]
Механизмы репликации различаются у разных бактерий и вирусов, где праймаза ковалентно связывается с геликазой в вирусах, таких как бактериофаг Т7 . [5] В таких вирусах, как вирус простого герпеса (HSV-1), праймаза может образовывать комплексы с геликазой. [6] Комплекс прайма-геликаза используется для раскручивания дцДНК (двухцепочечной) и синтеза отстающей цепи с использованием праймеров РНК. [6] Большинство праймеров, синтезируемых праймазой, имеют длину от двух до трех нуклеотидов. [6]
Типы
Существует два основных типа примаз: DnaG, обнаруженный у большинства бактерий, и суперсемейство AEP (Archaeo-Eukaryote Primase), обнаруженное в примазах архей и эукариот. В то время как бактериальные примазы ( тип DnaG ) состоят из одной белковой единицы (мономера) и синтезируют праймеры РНК, праймы AEP обычно состоят из двух разных примазных единиц (гетеродимер) и синтезируют двухкомпонентные праймеры с компонентами РНК и ДНК. . [7] Несмотря на то, что эти два суперсемейства функционально схожи, они развивались независимо друг от друга.
DnaG
Кристаллическая структура праймы в E. coli с ядром, содержащим белок DnaG, была определена в 2000 году. [4] Комплекс DnaG и праймазы имеет форму кешью и содержит три субдомена. [4] Центральный субдомен образует верхнюю складку, которая состоит из смеси пяти бета-листов и шести альфа-спиралей . [4] [8] Топрим-фолд используется для связывания регуляторов и металлов. Примаза использует домен переноса фосфора для координации переноса металлов, что отличает ее от других полимераз. [4] Боковые субъединицы содержат NH 2 и COOH- концы, состоящие из альфа-спиралей и бета-листов. [4] NH 2- конец взаимодействует с цинк- связывающим доменом и COOH-концевой областью, которая взаимодействует с DnaB-ID. [4]
Фолд Toprim также обнаружен в топоизомеразе и митохрондриальной примазе / геликазе Twinkle . [8] Некоторые DnaG-подобные (бактериоподобные; InterPro : IPR020607 ) примазы были обнаружены в геномах архей. [9]
AEP
Эукариотические и архейные примазы 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 примазов AEP; суперсемейство теперь распознается как переходное между функциями РНК и ДНК. [13]
Примазы архей и эукариот представляют собой гетеродимерные белки с одной большой регуляторной (человеческий PRIM2 , p58) и одной маленькой каталитической субъединицей (человеческий PRIM1 , 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 маленькой субъединицы. Например, удаление части, соответствующей большой субъединице в гибридном белке PolpTN2, приводит к более медленному ферменту с активностью обратной транскриптазы. [13]
Многофункциональные примазы
Семейство примаз-полимераз AEP обладает разнообразными функциями, помимо создания только праймеров. Помимо праймирования ДНК во время репликации, ферменты AEP могут выполнять дополнительные функции в процессе репликации ДНК, такие как полимеризация ДНК или РНК, терминальный перенос , трансфузионный синтез (TLS) , негомологичное соединение концов (NHEJ) , [12] и возможно, при перезапуске остановившихся вилок репликации [15] Примазы обычно синтезируют праймеры из рибонуклеотидов (NTP); однако примазы с полимеразными способностями также обладают сродством к дезоксирибонуклеотидам (dNTP). [16] [11] Примазы с терминальной функцией трансферазы способны добавлять нуклеотиды к 3'-концу цепи ДНК независимо от матрицы. Другие ферменты, участвующие в репликации ДНК, такие как геликазы, также могут проявлять примазную активность. [17]
У эукариот и архей
PrimPol человека (ccdc111 [16] ) выполняет функции как примазы, так и полимеразы, подобно многим примазам архей; проявляет активность терминальной трансферазы в присутствии марганца; и играет важную роль в синтезе транслезии [18] и в перезапуске застопорившихся репликационных вилок. PrimPol активно задействуется в поврежденных участках благодаря взаимодействию с RPA, адаптерным белком, который способствует репликации и репарации ДНК. [15] PrimPol имеет домен «цинковые пальцы», аналогичный домену некоторых вирусных примаз, который важен для синтеза трансфузии и активности примаз, а также может регулировать длину праймера. [18] В отличие от большинства примаз, PrimPol уникально способен запускать цепи ДНК с dNTP. [16]
PriS, малая субъединица примазы архей, играет роль в синтезе трансфузий (TLS) и может обходить общие повреждения ДНК. У большинства архей отсутствуют специализированные полимеразы, которые выполняют TLS у эукариот и бактерий. [19] Только PriS предпочтительно синтезирует цепочки ДНК; но в сочетании с PriL, большой субъединицей, увеличивается активность РНК-полимеразы. [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 примазов. [11]
В бактериях
Многофункциональные примазы AEP также появляются у бактерий и фагов, которые их заражают. Они могут отображать новые доменные организации с доменами, которые несут еще больше функций за пределами полимеризации. [14]
Бактериальный LigD ( A0R3R7 ) в первую очередь участвует в пути NHEJ. Он имеет домен полимеразы / примазы суперсемейства AEP, домен 3'-фосфоэстеразы и домен лигазы. Он также способен проявлять активность примазы, ДНК и РНК-полимеразы и терминальной трансферазы. Активность полимеризации ДНК может давать цепи длиной более 7000 нуклеотидов (7 т.п.н.), в то время как полимеризация РНК дает цепи длиной до 1 т.п.н. [21]
В вирусах и плазмидах
Ферменты AEP широко распространены и могут быть обнаружены закодированными в мобильных генетических элементах, включая вирусы / фаги и плазмиды. Они либо используют их в качестве единственного белка репликации, либо в сочетании с другими белками, связанными с репликацией, такими как геликазы и, реже, ДНК-полимеразы. [22] В то время как присутствие AEP в вирусах эукариот и архей ожидается в том смысле, что они отражают их хозяев, [22] бактериальные вирусы и плазмиды также так же часто кодируют ферменты суперсемейства AEP, как и примазы семейства DnaG. [14] Большое разнообразие семейств AEP было обнаружено в различных бактериальных плазмидах сравнительными геномными исследованиями. [14] Их эволюционная история в настоящее время неизвестна, так как они, обнаруженные у бактерий и бацериофагов, 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. Фермент выполняет функции как примазы, так и полимеразы в дополнение к функции геликазы. Кодирующий его ген обнаружен в профаге. [17] Он имеет гомологию с ORF904 плазмиды pRN1 из Sulfolobus islandicus , которая имеет домен AEP PrimPol. [23] Вирус осповакцины D5 и примаза HSV также являются примерами слияния AEP-геликазы. [12] [6]
PolpTN2 - это примаза архей, обнаруженная в плазмиде TN2. Он представляет собой слияние доменов, гомологичных PriS и PriL, проявляет активность как прайазы, так и ДНК-полимеразы, 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 мог также синтезировать ДНК на матрице РНК, т.е. действовать как РНК-зависимая ДНК-полимераза (обратная транскриптаза). [13]
Даже примазы DnaG могут иметь дополнительные функции, если им предоставлены правильные домены. Фага Т7 gp4 является DNAG праймаза-геликаза слияния, и выполняет обе функции в репликации. [5]
Рекомендации
- ^ Bocquier А. А., Лю L, Cann IK, Komori K, Kohda D, Ишино Y (март 2001). «Архейская примаза: устранение разрыва между РНК и ДНК-полимеразами». Текущая биология . 11 (6): 452–6. DOI : 10.1016 / s0960-9822 (01) 00119-1 . PMID 11301257 .
- ^ а б Барановский А.Г., Чжан Ы, Сува Ы, Бабаева Н.Д., Гу Дж., Павлов Ю.И., Тахиров Т.Х. (февраль 2015 г.). «Кристаллическая структура человеческого примаса» . Журнал биологической химии . 290 (9): 5635–46. DOI : 10.1074 / jbc.M114.624742 . PMC 4342476 . PMID 25550159 .
- ^ а б в Грип М.А. (август 1995 г.). «Структура и функции прайма». Индийский журнал биохимии и биофизики . 32 (4): 171–8. PMID 8655184 .
- ^ Б с д е е г 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. DOI : 10.1126 / science.287.5462.2482 . PMID 10741967 .
- ^ а б в Ли Дж. Б., Хайт РК, Хамдан С. М., Се XS, Ричардсон С. К., ван Ойен А. М. (февраль 2006 г.). «ДНК-примаза действует как молекулярный тормоз при репликации ДНК» (PDF) . Природа . 439 (7076): 621–4. DOI : 10,1038 / природа04317 . PMID 16452983 .
- ^ а б в г Кавано Н.А., Кучта Р.Д. (январь 2009 г.). «Инициирование новых цепей ДНК комплексом примаза-геликаза вируса простого герпеса-1 и ДНК-полимеразой герпеса или альфа-ДНК-полимеразой человека» . Журнал биологической химии . 284 (3): 1523–32. DOI : 10.1074 / jbc.M805476200 . PMC 2615532 . PMID 19028696 .
- ^ Кек Дж. Л., Бергер Дж. М. (январь 2001 г.). «Primus interpares (первый среди равных)». Структурная биология природы . 8 (1): 2–4. DOI : 10.1038 / 82996 . PMID 11135655 .
- ^ а б 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. DOI : 10.1093 / NAR / 26.18.4205 . PMC 147817 . PMID 9722641 .
- ^ Hou L, Klug G, Evguenieva-Hackenberg E (март 2013 г.). «Белку DnaG архей необходим Csl4 для связывания с экзосомой и усиливает его взаимодействие с РНК, богатой аденином» . Биология РНК . 10 (3): 415–24. DOI : 10,4161 / rna.23450 . PMC 3672285 . PMID 23324612 .
- ^ Айер Л. М., Кунин Е. В., Лейпе Д. Д., Аравинд Л. (2005). «Происхождение и эволюция надсемейства архео-эукариот примаз и родственных белков пальмового домена: структурные открытия и новые члены» . Исследования нуклеиновых кислот . 33 (12): 3875–96. DOI : 10.1093 / NAR / gki702 . PMC 1176014 . PMID 16027112 .
- ^ а б в Lao-Sirieix SH, Bell SD (декабрь 2004 г.). «Гетеродимерная примаза гипертермофильной археи Sulfolobus solfataricus обладает активностью ДНК и РНК-примазы, полимеразы и 3'-концевой нуклеотидилтрансферазы». Журнал молекулярной биологии . 344 (5): 1251–63. DOI : 10.1016 / j.jmb.2004.10.018 . PMID 15561142 .
- ^ а б в г Гиллиам Т.А., Кин Б.А., Бриссетт Северная Каролина, Доэрти А.Дж. (август 2015 г.). «Примаза-полимеразы представляют собой функционально разнообразное суперсемейство ферментов репликации и репарации» . Исследования нуклеиновых кислот . 43 (14): 6651–64. DOI : 10.1093 / NAR / gkv625 . PMC 4538821 . PMID 26109351 .
- ^ а б в г Gill S, Krupovic M, Desnoues N, Béguin P, Sezonov G, Forterre P (апрель 2014 г.). «Очень дивергентная архео-эукариотическая примаза из плазмиды Thermococcus nautilus, pTN2» . Исследования нуклеиновых кислот . 42 (6): 3707–19. DOI : 10.1093 / NAR / gkt1385 . PMC 3973330 . PMID 24445805 .
- ^ а б в г Казлаускас Д., Сезонов Г., Шарпен Н., Венцловас Ч, Фортер П, Крупович М. (март 2018 г.). «Новые семейства архео-эукариотических примитивов, ассоциированных с мобильными генетическими элементами бактерий и архей» . Журнал молекулярной биологии . 430 (5): 737–750. DOI : 10.1016 / j.jmb.2017.11.014 . PMC 5862659 . PMID 29198957 .
- ^ а б Ван Л., Лу Дж., Ся Й, Су Би, Лю Т., Цуй Дж., Сунь И, Лу Х, Хуан Дж. (Декабрь 2013 г.). «hPrimpol1 / CCDC111 представляет собой человеческую ДНК-примазу-полимеразу, необходимую для поддержания целостности генома» . EMBO Reports . 14 (12): 1104–12. DOI : 10.1038 / embor.2013.159 . PMC 3981091 . PMID 24126761 .
- ^ а б в Гарсиа-Гомес С., Рейес А., Мартинес-Хименес М. И., Чокрон Е. С., Мурон С., Террадос Дж., 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 . PMC 3899013 . PMID 24207056 .
- ^ а б 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 MCM» . Исследования нуклеиновых кислот . 40 (3): 1366–80. DOI : 10.1093 / NAR / gkr831 . PMC 3273815 . PMID 21984415 .
- ^ а б Кин Б.А., Йозвяковски С.К., Бейли Л.Дж., Бьянки Дж., Доэрти А.Дж. (май 2014 г.). «Молекулярное вскрытие доменной архитектуры и каталитической активности человека PrimPol» . Исследования нуклеиновых кислот . 42 (9): 5830–45. DOI : 10.1093 / NAR / gku214 . PMC 4027207 . PMID 24682820 .
- ^ Jozwiakowski SK, Borazjani Gholami F, Doherty AJ (февраль 2015 г.). «Репликативные примазы архей могут выполнять трансфекционный синтез ДНК» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 112 (7): E633-8. DOI : 10.1073 / pnas.1412982112 . PMC 4343091 . PMID 25646444 .
- ^ Барри ER, Bell SD (декабрь 2006 г.). «Репликация ДНК в архее» . Обзоры микробиологии и молекулярной биологии . 70 (4): 876–87. DOI : 10.1128 / MMBR.00029-06 . PMC 1698513 . PMID 17158702 .
- ^ Лао-Сирией С.Х., Пеллегрини Л., Белл С.Д. (октябрь 2005 г.). "Беспорядочные половые связи". Тенденции в генетике . 21 (10): 568–72. DOI : 10.1016 / j.tig.2005.07.010 . PMID 16095750 .
- ^ а б в Казлаускас Д., Крупович М., Венцловас Ч. (июнь 2016 г.). «Логика репликации ДНК в двухцепочечных ДНК-вирусах: выводы из глобального анализа вирусных геномов» . Исследования нуклеиновых кислот . 44 (10): 4551–64. DOI : 10.1093 / NAR / gkw322 . PMC 4889955 . PMID 27112572 .
- ^ Lipps G, Weinzierl AO, von Scheven G, Buchen C, Cramer P (февраль 2004 г.). «Структура бифункциональной ДНК-примазы-полимеразы». Структурная и молекулярная биология природы . 11 (2): 157–62. DOI : 10.1038 / nsmb723 . PMID 14730355 .
Внешние ссылки
- Обзорная статья о структуре и функциях примитивов (1995)
- DNA + Primase в Национальной медицинской библиотеке США по предметным заголовкам по медицинским предметам (MeSH)
- Протеопедия: Геликаза-связывающий домен примазы Escherichia coli
- Протеопедия: комплекс между геликазой DnaB и примазой DnaG