Transläsionspolymerase
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LoslegenEnglisch: Translesion polymerase, translesion synthesis polymerase
Definition
Als Transläsionspolymerasen werden die spezialisierten DNA-Polymerasen der Eukaryoten bezeichnet, welche die DNA-Synthese an beschädigten Nukleotiden während der Replikation fortsetzen können. Sie haben eine hohe Fehleranfälligkeit und können oft nur bestimmte Substrate zuverlässig erkennen.
Hintergrund
Die replikativen DNA-Polymerasen δ und ε der eukaryotischen Zellen verfügen über eine hohe Prozessivität, binden also sehr eng an die DNA und können tausende Nukleotide synthetisieren, bevor sie dissoziieren. Tritt im abgelesenen DNA-Strang eine Beschädigung auf, welche die Eigenschaften der Nukleobase verändert, stoppen diese Polymerasen und die Replikation ist blockiert. Um sie weiter zu führen, werden die Polymerasen der Transläsionssynthese rekrutiert. Diese führen regelmäßig selber Mutationen ein, erlauben aber die Fortsetzung der Replikation, wodurch ein Zusammenbruch der Replikationsgabel verhindert wird.
Vorkommen
Im Menschen existieren fünf Polymerasen, die an der Transläsionssynthese beteiligt sind. Diese gehören zu zwei verschieden Familien der DNA-Polymerasen:
- Y-Familie
- DNA-Polymerase η (eta)
- DNA-Polymerase κ (kappa)
- DNA-Polymerase ι (iota)
- DNA-Polymerase Rev1
- B-Familie
- DNA-Polymerase ζ (zeta)
Struktur
Y-Familie Polymerasen
Obwohl die Polymerasen faktisch keine Sequenzhomologien zu den replikativen DNA-Polymerasen besitzen, bilden alle sehr ähnliche Faltungsmotive aus. Diese werden als "Right-Hand-Fold" bezeichnet, da die Anordnung der Motive der vereinfachten Struktur einer Hand gleichen. Die einzelnen Regionen heißen:
- Finger
- Palm
- Thumb
- Little-Finger (auch als Polymerase-assoziierte Domäne oder Wrist bezeichnet)
B-Familie Polymerase
Die DNA-Polymerase ζ ist die einzige Transläsionspolymerase die zur B-Familie der DNA-Polymerasen gehört, der auch die DNA-Polymerasen ε und δ zugeordnet werden. Trotzdem besitzt auch Polymerase ζ keine 3'-5' Exonuklease-Aktivität. Im Gegensatz zu den Polymerasen der Y-Familie besteht sie aus mehreren Untereinheiten: Rev3 und Rev7. Im Vergleich zu den anderen Polymerasen existieren aber nur wenig Strukturinformationen über den kompletten Komplex.
Biochemie
Das aktive Zentrum befindet sich wie bei anderen Polymerasen in der Palm-Region. Dort koordinieren Aspartat- und Glutamatreste ein Magnesiumion, das ankommende dNTPs stabilisiert. Generell ist das aktive Zentrum deutlich größer und offener gestaltet als bei den replikativen DNA-Polymerasen. Dadurch können auch sehr große DNA-Addukte gebunden werden.
Der Mechanismus des Nukleotidyl-Transfers kann sich zwischen den einzelnen Polymerasen vor allem sterisch unterscheiden. Beispielsweise erkennt das aktive Zentrum der DNA-Polymerase Rev1 ein modifiziertes Guanin als Vorlage, dreht dieses dann aber heraus und stabilisiert über Wasserstoffbrückenbindung ein rekrutiertes dCTP-Nukleotid. Die DNA-Polymerase ι kann die ungewöhnliche Hoogsteen-Basenpaarung durchführen. Die Thumb- und Finger-Domäne sorgen dabei für die Bindung an die DNA. Die Little-Finger-Domäne etabliert eine zusätzliche Bindung an die DNA, wahrscheinlich direkt an die Beschädigung am Vorlagenstrang, wodurch sie für bestimmte Läsionen spezifisch sein kann. Diese Domäne kann bei replikativen Polymerasen nicht gefunden werden. Trotz dieser zusätzlichen Domäne ist die Bindung an die DNA deutlich offener und flexibler. [1]
| Polymerase | Substrate | Fehlerrate |
|---|---|---|
| DNA-Polymerase η (eta) | Pyrimidin-Dimere, 8-Oxoguanin, Intrastrandcrosslinks | 10-1 |
| DNA-Polymerase κ (kappa) | verschiedene oxidative Addukte | 10-2 – 10-3 |
| DNA-Polymerase ι (iota) | Pyrimidin-Dimere | 10-2 |
| DNA-Polymerase Rev1 | abasische Stellen, Guanin-Addukte | 10-2 |
| DNA-Polymerase ζ (zeta) | fehlgepaarte Primer, abasische Stellen | 10-3 |
Eigenschaften
Die Transläsionspolymerasen besitzen mehrere gemeinsame Eigenschaften: [2]
- Sie können bestimmte modifizierte Nukleotide trotz der Beschädigung erkennen und setzen am komplementären DNA-Strang das korrekte Nukleotid ein. Beispielsweise passt das häufig auftretende, durch oxidativen Stress entstandene 8-Oxoguanin in das aktive Zentrum der DNA-Polymerase η, wodurch es ein Cytosin einbaut.
- An unbeschädigter DNA sind sie extrem fehleranfällig. Die DNA-Polymerase Rev1 erkennt zwar zuverlässig verschiedene Addukte der Nukleobase Guanin und umgeht abasische Nukleotide. Da sie jedoch nur eine dCMP-Transferase-Aktivität besitzt, setzt sie auf unbeschädigter DNA immer ein Cytosin ein, unabhängig von der eigentlichen Sequenz.
- Sie besitzen keine Fähigkeit zum Proofreading und keine 3'-5' Exonuklease-Aktivität wie die replikativen Polymerasen.
- Geringe Prozessivität. Die Transläsionspolymerasen können keine längeren Segmente synthetisieren, sondern fallen schon nach wenigen Nukleotiden von der DNA ab.
Klinische Bedeutung
Eine Deregulation der Transläsionspolymerasen ist mit einer erhöhten genomischen Instabilität assoziiert. Eine Mutation im Gen der Polymerase η führt beispielsweise zu einer Variante der Hautkrankheit Xeroderma pigmentosum. In Tumorgeweben sind die Transläsionspolymerasen häufig überexprimiert und ermöglichen es den Zellen die Wirkung von DNA-schädigenden Chemotherapeutika zu umgehen.
siehe auch: Transläsionssynthese
Quellen
- ↑ Eukaryotic translesion polymerases and their roles and regulation in DNA damage tolerance. Microbiol Mol Biol Rev 73, 134-154, doi:10.1128/MMBR.00034-08 (2009).
- ↑ Yang, W. An overview of Y-Family DNA polymerases and a case study of human DNA polymerase eta. Biochemistry 53, 2793-2803, doi:10.1021/bi500019s (2014).