DNAポリメラーゼII

DNAポリメラーゼII
DNA pol II の結晶構造 (PDB エントリ 3K5M に基づく)
識別子
生物	大腸菌（K-12株 MG1655株）
シンボル	ポルB
エントレズ	944779
ＰＤＢ	3K5M
RefSeq (Prot)	NP_414602.1
ユニプロット	P21189
その他のデータ
EC番号	2.7.7.7
染色体	ゲノム: 0.06 - 0.07 Mb
検索する 構造 スイスモデル ドメイン インタープロ

DNAポリメラーゼII （ DNA Pol IIまたはPol IIとも呼ばれる）は、PolB遺伝子によってコードされる原核生物のDNA依存性DNAポリメラーゼである。 ^[1]

DNAポリメラーゼIIは89.9kDaのタンパク質で、DNAポリメラーゼのBファミリーのメンバーです。1970年にトーマス・コーンバーグによって最初に単離され、その後数年間にわたって特徴付けられました。^{[2] [3] [4] Pol IIの}生体内での機能性については議論が続いていますが、Pol IIは主に原核生物のDNA複製のバックアップ酵素として関与しているというのがコンセンサスです。この酵素は5′→3′ DNA合成能力と3′→5′エキソヌクレアーゼ校正活性を持っています。DNA Pol IIは、その忠実度と処理能力を高めるために、 DNA Pol IIIと共通の複数の結合パートナーと相互作用します。^[1]

DNAポリメラーゼIは、大腸菌から単離された最初のDNA指向性DNAポリメラーゼであった。^[5]この単離された酵素に関するいくつかの研究は、DNA pol Iは修復複製に関与している可能性が高く、主要な複製ポリメラーゼではないことを示唆した。^{[6] DNA pol Iの}生体内における役割 をよりよく理解するために、この酵素を欠損した大腸菌 変異体（Pol A1 ⁻と呼ばれる）が1969年にDe LuciaとCairnsによって生成された。^[7]特徴付けられるところ、この新しい変異株は紫外線に対してより敏感であり、 DNA pol Iが修復複製に関与しているという仮説を裏付けた。変異体は野生型と同じ速度で成長し、 DNA複製を担う別の酵素の存在を示した。半保存的DNA複製に関与するこの新しいポリメラーゼの単離と特徴付けは、いくつかの研究室で並行して行われた研究で続いた。^{[2] [3] [4]}この新しいポリメラーゼはDNAポリメラーゼIIと名付けられ、一時期大腸菌の主な複製酵素であると考えられていた。 ^[8] DNAポリメラーゼIIは1994年にアンダーソンらによって初めて結晶化された。^[9]

2023年には、加齢に伴う転写の加速によりPol IIのミスが増え、欠陥のあるコピーが生成され、多くの疾患を引き起こす可能性があることが報告されました。 ^[10]

DNA Pol II は 89.9 kD のタンパク質で、783 個のアミノ酸から構成され、polB (dinA) 遺伝子によってコード化されています。球状タンパク質である DNA Pol II はモノマーとして機能しますが、他の多くのポリメラーゼは複合体を形成します。このモノマーには、口語的に手のひら、指、親指と呼ばれる 3 つの主要なセクションがあります。この「手」は DNA 鎖を囲みます。複合体の手のひらには、機能するために 2 つの二価金属イオンと連携する 3 つの触媒残基が含まれています。DNA Pol II は細胞内で 30 ～ 50 個ほどコピーされていますが、細胞内の DNA Pol III のレベルはその 5 分の 1 です。

ポリメラーゼのほとんどは、類似した構造と機能に基づいてファミリーに分類されています。DNAポリメラーゼIIは、ヒトDNAポリメラーゼα、δ、ϵ、ζとともにグループBに分類されます。これらはすべてRB69、9°N-7、Tgoの相同遺伝子です。グループBの他のメンバーには、DNAポリメラーゼIIをユニークにする少なくとも1つのサブユニットがあります。^[11]

ポリメラーゼはすべて、核酸の鎖を合成して、何らかの形でDNA 複製に関与しています。DNA 複製は、細胞増殖の重要な側面です。DNA を複製しなければ、細胞は分裂できず、子孫に遺伝情報を共有できません。大腸菌などの原核生物では、DNA Pol III が DNA 複製に関与する主要なポリメラーゼです。DNA Pol II は染色体複製の主要因子ではありませんが、他の役割を果たしています。

DNA Pol II は DNA 複製に関与しています。DNA Pol III ほど高速ではないかもしれませんが、効果的な酵素となる能力がいくつかあります。この酵素には、プライマーゼ活性とともに、関連する 3′→5′エキソヌクレアーゼ活性があります。DNA Pol II は、置換エラー率が ≤ 2×10 ⁻⁶、-1 フレームシフトエラー率が ≤ 1×10 ⁻⁶の高忠実度酵素です。DNA Pol II は、Pol III によって引き起こされたミスマッチを校正して処理できます。Banach-Orlowska らは、DNA Pol II が複製に関与しているが、鎖に依存しており、遅延鎖を優先的に複製することを示しました。提案されたメカニズムは、DNA Pol III が停止するか機能しなくなると、DNA Pol II が複製ポイントに特異的にリクルートされ、複製を継続できることを示唆しています。^[1]

DNA が損傷を受ける原因は、紫外線による損傷から酸化まで多岐にわたるため、こうした損傷を修復するためのさまざまなタイプのポリメラーゼが存在するのは当然です。DNA Pol II の重要な役割の 1 つは、鎖間架橋を修復する主要なポリメラーゼであることです。鎖間架橋は、ナイトロジェン マスタードやソラレンなどの化学物質によって引き起こされ、細胞毒性の損傷を引き起こします。これらの損傷を修復するのは困難です。なぜなら、両方の DNA 鎖が化学物質によって損傷を受けており、両方の鎖の遺伝情報が間違っているからです。これらの鎖間架橋がどのように修復されるかという正確なメカニズムはまだ研究中ですが、Pol II が大きく関与していることがわかっています。^[11]

DNAポリメラーゼIIは最も研究されているポリメラーゼではないため、この酵素には多くの機能が提案されていますが、それらはすべて可能性のある機能ですが、最終的には確認されていません。^[1]

• 紫外線照射によって損傷したDNAの修復
• 紫外線照射を受けた大腸菌の複製再開
• 適応突然変異
• 長期生存

DNA複製中、塩基対は配列内で損傷を受けやすい。DNAの配列が損傷すると、複製が停止する可能性がある。^[12]配列のエラーを修正するために、DNAポリメラーゼIIはヌクレオチド塩基対の修復を触媒する。試験管内研究では、ポリメラーゼIIがポリメラーゼIIIアクセサリタンパク質（βクランプおよびクランプローディング複合体）と時折相互作用し、ポリメラーゼIIが成長中の新生鎖にアクセスできるようになることがわかっている。^{[1] [13] [14] [15]} DNA複製中のDNAポリメラーゼIIの機能に関しては、ポリメラーゼIIIが生成するエラーは成長中の鎖にあり、保守的な鎖にはないため、これは理にかなっている。DNAポリメラーゼIIのN末端ドメインは、DNA鎖と触媒サブユニットの結合と解離を担っている。DNAポリメラーゼIIのN末端ドメインには、一本鎖DNAを認識する部位が2つある可能性が高い。 1つの部位は一本鎖DNAをDNAポリメラーゼIIにリクルートする役割を担い、もう1つの部位は一本鎖DNAをDNAポリメラーゼIIから解離する役割を担っている。^[16]

基質が結合すると、DNAポリメラーゼIIはヌクレオシド三リン酸に結合してDNAの水素結合構造を維持する。次に正しいdNTPが結合し、酵素複合体はサブドメインとアミノ酸残基の構造変化を起こす。これらの構造変化により、修復合成の速度が速くなる。^[17]活性部位には2つのMg ²⁺イオンが含まれており、触媒アスパラギン酸D419とD547によって安定化されている。^[18]マグネシウムイオンは開いた状態でdNTPとともにDNAに結合し、触媒が起こるように活性部位のアミノ酸残基の構造変化を調整する（閉じた状態）。マグネシウムイオンが放出されると、酵素は開いた状態に戻る。^[19]

DNAポリメラーゼIIはポリメラーゼBファミリーの一員で、DNA複製において3'末端から5'末端へのポリメラーゼIIIをサポートします。^[20] ポリメラーゼIIIが複製エラー中に停止した場合、ポリメラーゼIIはミスマッチ塩基を中断して除去することができます。ポリメラーゼIIはポリメラーゼIIIよりもはるかに高い忠実度係数を持っているため、ミスペアリングが発生する可能性がはるかに低くなります。ポリメラーゼIIの校正ステップがなければ、ポリメラーゼIIIはミスペアリングを拡大し、突然変異を引き起こします。^[1]

ポリメラーゼ III によって引き起こされる可能性のある変異から保護することに加えて、ポリメラーゼ II はポリメラーゼ IV によって引き起こされる変異からも保護する働きがあります。ポリメラーゼ IV はポリメラーゼ II よりもエラーが発生しやすいですが、3' 末端から始まるミスマッチな塩基対を修復する働きもあります。ポリメラーゼ II は 3' 末端をポリメラーゼ IV から保護し、その作用をブロックします。この保護により、ポリメラーゼ II が正常に機能している間は変異の形成が防止されます。ポリメラーゼ II が突然変異によってノックアウトされたり、他の要因によって無効になったりすると、ポリメラーゼ IV が代わりにミスマッチな塩基を修復します。^[1]

ポリメラーゼ II はファミリー B の真核生物メンバーと自然に連携して機能することはありませんが、類似の構造的および機能的モチーフを共有しています。ファミリー B のメンバーには、ポリメラーゼ α、ε、ζ、δ が含まれます。これらのポリメラーゼはすべて、新しく合成された DNA を 3'→5' 方向に校正する機能があります。これらのポリメラーゼは、リーディング鎖とラギング鎖の両方で DNA を合成できます。このクラスのポリメラーゼは非常に正確である傾向があり、DNA 合成中に発生する誤対合を修正できます。^[20]

DNAポリメラーゼIIは細胞内に自然に豊富に存在し、通常はポリメラーゼIIIの5倍の量になります。この豊富さにより、誤対合の場合にポリメラーゼIIがポリメラーゼIIIを圧倒することができます。この量はSOS応答の誘導によって増加し、polB遺伝子がアップレギュレーションされるため、ポリメラーゼIIの量はおよそ7倍に増加します。ポリメラーゼIIは両方の鎖に作用しますが、リーディング鎖よりもラギング鎖を好むことが示されています。^[1]

• DNA複製