什么是DNA聚合酶？

什么是DNA聚合酶？

DNA聚合酶的种类很多，它们在细胞中的DNA复制过程中起着重要的作用。DNA聚合酶有DNA聚合酶Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三类。基因工程中很多步骤都需要DNA聚合酶催化DNA体外合成反应，这些酶作用时大多都需要模板，合成产物的序列与模板互补。基因工程常用的DNA聚合酶有：①大肠杆菌聚合酶Ⅰ(全酶)；②大肠杆菌聚合酶Ⅰ大片段(Klenow片段)；③T4噬菌体DNA聚合酶；④T7噬菌体聚合酶及经修饰的T7噬菌体聚合酶(测序酶)，⑤耐热DNA聚合酶(TaqDNA聚合酶)；⑥末端转移酶(末端脱氧核苷酸转移酶，也属DNA聚合酶)；⑦逆转录酶(依赖于RNA的DNA聚合酶)。

DNA聚合酶Ⅰ是基因工程中最常用的工具酶。DNA聚合酶Ⅱ是一条120kD的肽链，催化5′→3′方向合成DNA，也具有3′→5′外切酶活性但没有5′→3′外切酶活性。可能在当细胞DNA受到化学或物理损伤时，DNA聚合酶Ⅱ在修复过程中起特殊作用。DNA聚合酶Ⅲ全酶是一种大于250kD，由多种亚基组成的蛋白质，它是不对称的二聚体，两个亚基可分别同时催化前导链(leadingstrand)及后随链的合成。DNA聚合Ⅲ与DNA聚合酶Ⅰ相同，也具有3′→5′外切酶活性。在DNA聚合作用中，核苷酸添加的错误率达1/1000。由于DNA聚合酶Ⅰ和DNA聚合酶Ⅲ全酶的3′→5′外切酶活性，可以终止核苷酸加入并除去错误核苷酸，然后可继续加入正确的核苷酸，可将错误率减少到百万分之一或更少。

大肠杆菌DNA聚合酶Ⅰ(全酶)：DNA聚合酶Ⅰ的分子量为109kD，是一条约1000个氨基酸残基的多肽链。它具有三种活性：①5′→3′DNA聚合酶活性(能以单链DNA为模板，在3′-OH引物的引导下，按5′→3′方向，合成互补的DNA序列)，②3′→5′外切核酸酶活性(能够去除延长的核酸链上的3′-OH末端上的核苷酸，可以沿3′→5′方向降解双链或单DNA链DNA，释放5′-单核苷酸)，③5′→3′外切核酸酶活性(能从DNA链5′-OH末端降解双螺旋DNA的一条链，沿5′→3′方向档唤，释放出单核苷酸或寡核苷酸)。DNA聚合酶Ⅰ的主要用途：①用切口平移方法标记DNA(可作杂交探针)，②利用其5′→3′外切核酸酶活性降解寡核苷酸作为合成cDNA第二链的引物，③用于对DNA分子的3′突出尾进行末端标记，用于DNA序列分析。

大肠杆菌DNA聚合酶Ⅰ大片断(KLENOW)：KLENOW片断是用枯草杆菌蛋白酶裂解完整的DNA聚合酶Ⅰ产生，或通过克隆技术而获得。此酶是单一多肽链，分子量76kD。它具有5′→3′聚合酶活性和3′→5′外切酶活性，而无5′→3′外切酶活性。Klenow片段的主要用途：①补平限制性行逗凯内切酶切割DNA产生的3′凹端；②用［32P］dBTP补平3′凹端，对DNA片段进行末端标记；③对带3′突出端的DNA进行末端标记；④在cDNA克隆中，用于合成cDNA第二链；⑤在体外诱变中，用于从单链模板合成双链DNA；⑥应用双脱氧链末端终止法进行DNA测序。

T4噬菌体DNA聚合酶：T4噬菌体DNA聚合酶(分子为114kD)，与Klenow片断相似的是：都具有5′→3′聚合酶活性及3′→5′外切核酸酶活性。其3′→5′外切酶活性对单链DNA的作用比对双链DNA的作用更强。它的外切核酸酶活性比Klenow片段要强200倍。由于它不从单链DNA模板上置换寡核酸引物，因此在体外诱变反应中，它的效率比Klenow片段更强。它的主要用途：①补平或标记限制性内切酶消化DNA后产生的3′凹端，②对带有3′突出端的DNA分子进行末端标记；③标记用作探针的DNA片段。④将双链DNA的末端转化成为平端。⑤使结合于单链DNA模板上的诱变寡核苷酸引物得到延伸。

Ts噬菌体DNA聚合酶及由此改造的测序酶：T7噬菌体感染大肠杆菌诱生的DNA聚合酶，是两种紧密结合的蛋白质的复合体。这两种蛋白质一种是T7噬菌体基因5蛋白，另一种是宿主蛋白的硫氧还原蛋白。该酶是指让所有已知DNA聚合酶中持续合成能力最强的一个，它所催化合成的DNA的平均长度要比其他DNA聚合酶催化合成的DNA平均长度大得多。它的3′→5′外切核酸酶活性约为Klenow片段的1000倍。它没有5′→3′外切酶核酸酸活性。它的主要用途：①用于拷贝长段模板的引物延伸反应，②通过补平或交换(置换)反应进行快速末端标记。

T7噬菌体聚合酶中基因5蛋白中一个结构区，与大肠杆菌DNA聚合酶Ⅰ的DNA结合处及聚合结构区高度同源。这一结合及聚合结构区包含了该蛋白近羟基端的序列，而其氨其端则具有强有力的3′→5′外切核酸活性。用氧作还原剂把该酶分子与氧及二价铁离子处理可使酶3′→5′外切核酸酶活性灭活而保留其聚合酶活性。改造后的酶的持续合成能力很强，是双脱氧链终止法对长段DNA进行测序的理想用酶。后来由UnitedStatesBiochemical公司以测序酶(sequenase)作为商品名投放市场，现在已通过基因工程手段生产出一种改进的测序酶(2.0版)，它完全丧失了外切核酸酶活性。

耐热DNA聚合酶(TaqDNA聚合酶)：这是一种耐热的依赖DNA的DNA聚合酶(分子量65kD，原是从嗜热的水生菌Thermusaquaticus中纯化来的，现在以基因工程生产并出售(AmpliTaqTM)。这些酶具有依赖于聚合物5′→3′外切核酸酶活性。用途：①用于DNA测序，②用于聚合酶链式反应(PCR)对DNA片段进行体外扩增。

末端转移酶：从动物胸腺和骨髓中提取。此酶催化脱氧核苷酸添加到DNA分别的3′-OH末端上，催化作用不要求有模板，但需Co2+的存在。末端转移酶可作一群DNA分子的3′-OH末端接上寡dA或dC，而给另一群DNA分子的3′-OH末端接上寡dT或dG，混合这两群分子，即可使同聚物尾部退火形成环状分子。用途：①给载体或cDNA加上互补的同聚尾，②用于DNA片段3′末端的放射同位素标记。