プリマーゼ

大腸菌のプライマーゼの結晶構造は、DnaGタンパク質を含むコア構造を持ち、2000年に決定されました。^{[ 4 ]} DnaGとプライマーゼの複合体はカシューナッツ型で、3つのサブドメインを含んでいます。^{[ 4 ]} 中央のサブドメインは、5つのβシートと6つのαヘリックスの混合物からなるトッププリムフォールドを形成します。^{[ 4 ] [ 8 ]} トッププリムフォールドは、調節因子と金属の結合に使用されます。プライマーゼは、金属の転移配位にリン酸転移ドメインを使用しており、これが他のポリメラーゼと異なる点です。 ^{[ 4 ]} 側方サブユニットは、αヘリックスとβシートからなるNH2_末端とCOOH末端を含んでいます。 ^{[ 4 ]} NH2末端_は亜鉛結合ドメインと相互作用し、COOH末端領域はDnaB-IDと相互作用します。^{[ 4 ]}

Toprimフォールドは、トポイソメラーゼやミトコンドリアのTwinkleプライマーゼ/ヘリカーゼにも見られます。^{[ 8 ]}古細菌のゲノムには、DnaG様（細菌様；InterPro ：IPR020607）プライマーゼがいくつか見つかっています。^{[ 9 ]} 

真核生物と古細菌のプライマーゼは、構造とメカニズムの点で、細菌のプライマーゼよりも互いに類似している傾向がある。^{[ 10 ] [ 11 ]}真核生物と古細菌のプライマーゼ触媒サブユニットのほとんどが属する古細菌-真核生物プライマーゼ（AEP）スーパーファミリーは、このファミリーの酵素が果たす他の多くの役割を認識して、最近プライマーゼ-ポリメラーゼファミリーとして再定義された。^{[ 12 ]}この分類はまた、AEPプライマーゼの幅広い起源を強調しており、このスーパーファミリーは現在、RNAとDNAの機能の間を移行していると認識されている。^{[ 13 ]}

古細菌および真核生物のプライマーゼは、1つの大きな調節サブユニット（ヒトPRIM2、p58）と1つの小さな触媒サブユニット（ヒトPRIM1、p48/p49）からなるヘテロ二量体タンパク質である。^{[ 2 ]}大きなサブユニットはN末端に4Fe–4Sクラスターを含み、一部の古細菌ではPriX/PriCTとして分離している。^{[ 14 ]}大きなサブユニットは、小さなサブユニットの活性と特異性を向上させる役割を担っている。例えば、融合タンパク質PolpTN2の大きなサブユニットに対応する部分を除去すると、逆転写酵素活性を持つ遅い酵素となる。^{[ 13 ]}

ヒトPrimPol（ccdc111 ^{[ 16 ]}）は、多くの古細菌プライマーゼと同様にプライマーゼとポリメラーゼの両方の機能を果たし、マンガンの存在下で末端転移酵素活性を示し、損傷乗り越え合成^{[ 18 ]}および停止した複製フォークの再開において重要な役割を果たします。PrimPolは、DNA複製と修復を促進するアダプタータンパク質であるRPAとの相互作用を介して、損傷部位に積極的にリクルートされます。^{[ 15 ]} PrimPolは、損傷乗り越え合成とプライマーゼ活性に不可欠であり、プライマー長を調節する可能性のある、一部のウイルスプライマーゼと同様の亜鉛フィンガードメインを持っています。^{[ 18 ]}ほとんどのプライマーゼとは異なり、PrimPolはdNTPでDNA鎖を開始できるという独自の能力を持っています。^{[ 16 ]}

古細菌のプライマーゼ小サブユニットであるPriSは、損傷乗り越え合成（TLS）に関与し、一般的なDNA損傷を回避できる。ほとんどの古細菌は、真核生物や細菌でTLSを行う特殊なポリメラーゼを欠いている。^{[ 19 ]} PriS単独ではDNA鎖を優先的に合成するが、大サブユニットであるPriLと組み合わせるとRNAポリメラーゼ活性が増加する。^{[ 20 ]}

Sulfolobus solfataricusでは、プライマーゼヘテロダイマー PriSL はプライマーゼ、ポリメラーゼ、末端転移酵素として機能します。PriSL は NTP でプライマー合成を開始し、その後 dNTP に切り替えると考えられています。この酵素は RNA または DNA 鎖を重合することができ、DNA 産物は最大 7000 ヌクレオチド (7 kb) の長さに達します。この二重機能は、古細菌プライマーゼの共通の特徴である可能性があると示唆されています。^{[ 11 ]}

AEP多機能プライマーゼは、細菌や、細菌に感染するファージにも出現する。これらは、重合以外の機能ももたらすドメインを備えた、新しいドメイン構成を示すことができる。^{[ 14 ]}

細菌の LigD ( A0R3R7 ) は主に NHEJ 経路に関与しています。AEP スーパーファミリーのポリメラーゼ/プライマーゼ ドメイン、3'-ホスホエステラーゼ ドメイン、およびリガーゼ ドメインを持っています。また、プライマーゼ、DNA および RNA ポリメラーゼ、末端転移酵素活性も有しています。DNA 重合活性は 7000 ヌクレオチド (7 kb) を超える長さの鎖を生成することができ、RNA 重合は最大 1 kb の長さの鎖を生成します。^{[ 21 ]}

AEP酵素は広く分布しており、ウイルス/ファージやプラスミドなどの可動遺伝因子にコードされているのが見られる。これらは単独の複製タンパク質として、またはヘリカーゼや、頻度は低いがDNAポリメラーゼなどの他の複製関連タンパク質と組み合わせて使用​​される。^{[ 22 ]}真核生物および古細菌ウイルスにAEPが存在するのは、それらが宿主を反映していることから予想されるが、^{[ 22 ]}細菌ウイルスおよびプラスミドも、DnaGファミリープライマーゼと同様に、AEPスーパーファミリー酵素をコードしていることが多い。^{[ 14 ]}比較ゲノム調査により、さまざまな細菌プラスミドでAEPファミリーの多様性が明らかになっている。 ^{[ 14 ]}細菌およびバクテリオファージで見られるこれらの酵素は、最近の水平遺伝子伝達にしては古細菌および真核生物の相同体とはあまりにも異なっているため、その進化の歴史は現在不明である。^{[ 22 ]}

Bacillus cereus株ATCC 14579のMCM様ヘリカーゼ（BcMCM; Q81EV1）は、AEPプライマーゼと融合したスーパーファミリー6ヘリカーゼです。この酵素は、ヘリカーゼ機能に加えて、プライマーゼ機能とポリメラーゼ機能の両方を持っています。これをコードする遺伝子はプロファージに存在します。^{[ 17 ]}これは、AEP PrimPolドメインを持つSulfolobus islandicusのプラスミドpRN1のORF904と相同性があります。 ^{[ 23 ]}ワクシニアウイルスD5とHSVプライマーゼもAEPヘリカーゼ融合の例です。^{[ 12 ] [ 6 ]}

PolpTN2はTN2プラスミドに見られる古細菌プライマーゼである。PriSとPriLに相同なドメインの融合体であり、プライマーゼ活性とDNAポリメラーゼ活性の両方を示し、末端転移酵素機能も有する。ほとんどのプライマーゼとは異なり、PolpTN2はdNTPのみからなるプライマーを形成する。^{[ 13 ]}意外なことに、PriL様ドメインが切断されると、PolpTN2はRNAテンプレート上でDNAを合成することもでき、すなわちRNA依存性DNAポリメラーゼ（逆転写酵素）として作用した。^{[ 13 ]}

DnaGプライマーゼも、適切なドメインが与えられれば、追加の機能を持つことができる。T7ファージgp4はDnaGプライマーゼとヘリカーゼの融合体であり、複製において両方の機能を果たす。^{[ 5 ]}