DNA 중합효소

대장균의 DNA 중합효소 I (Pol I)는 첫 번째로 분리된 nucleotide polymerase로서 단일 사슬 내에 DNA 중합, 교정, 수선, 3개의 기능을 가지고 있다. 3가지 기능에 수반되는 활성들은 다음과 같다. 
먼저 이 효소는 DNA 주형이 있을 때에만 이미 존재하는 DNA 가닥 (primer 가닥)의 3'-OH 말단에 deoxyribonucleoside 5'-triphosphate들을 붙여준다. DNA 주형은 Watson/Crick 염기쌍을 통해 뉴클레오티드들이 선택되도록 한다. 이 반응의 중요한 특징은 효소가 주형에 붙어있는 상태로 많은 수의 뉴클레오티드들을 붙여주는 것이다. 교정기능은 3'-5' exonuclease 활성에 달려있다. 제거될 뉴클레오티드는 이중나선의 일부분으로 떨어진 상태의 3'-OH를 가지고 있어야만 하는데 뉴클레오티드가 주형과 염기쌍을 이루고 있지 않으면 제거하도록 해준다. 중합효소와 3'-5' exonuclease활성의 통합은 효소로 하여금 실험관에서 주형과 시발체가 주어지면 DNA를 정확히 합성하도록 해주며 효소가 만약 주형에 맞지않는 부정확한 뉴클레오티드를 첨가하면 그것을 인식하여 3'-5' exonuclease의 활성으로 제거한다.  또한 5'-3' exonuclease 활성도 가지고 있다. 이것은 DNA 사슬이 자라는 앞부분에서 DNA 나 RNA를 제거한다. 절단될 결합은 이중나선 부분에 있어야만 하고 그 활성은 Okazaki 조각의 연결과 DNA 수선에 이용된다.

중합효소와 5'-3' exonuclease활성의 통합은 효소로 하여금 오카자키 조각으로부터 RNA 시발체를 제거하게 해준다. 중합효소는 오카자키 조각의 3' 말단에 붙을 수 있는데 5'-3' exonuclease 활성은 앞선 조각의 RNA 시발체에 있는 ribonucleotide들을 잘라내고 그 중합효소활성은 빈 곳을 메운다. 이 과정은 시발체가 제거될 때까지 계속된다.

3가지 활성의 통합은 DNA 중합효소 I이 생체내에서 복구효소로 작용하는 것을 설명해준다. 이중나선 DNA의 어느 한 곳에 절단이 일어나면 이 효소는 절단부위의 양방향으로 뉴클레오티드들을 제거하고 정확한 뉴클레오티드를 채워 넣는다. 마지막으로 새로운 DNA 가닥을 연결하는데는 DNA 연결효소 (DNA ligase)가 요구된다.

이러한 모든 기능들을 하나의 폴리펩타이드 사슬에서 수행할 수 있는 효소는 실제로 화학반응이 일어나는 곳에 활성자리들을 가져야만 한다. 중합효소 반응은 3'-OH가 들어오는 dNTP (deoxyribonucleotide triphosphate)의 가장 안쪽 (a 위치)에 위치한 인산원자에 대하여 친핵성 공격을 하는 것이다. 이 자리에서 연장된 곳에 시발체와 주형에 대한 결합자리가 있어야만 한다. 이러한 자리들은 효소가 주형을 따라 점진적으로 걸어갈 수 있도록 만들어져 있다. 두 개의 nuclease 활성들에 대한 활성자리는 중합효소 활성자리에 인접하여 떨어진 곳에 있어야만 한다. 구조적, 생화학적, 그리고 유전학적 연구들은 DNA 중합효소 I이 3개의 도메인들을 가지며, 각각은 별도의 효소활성에 관여한다는 결론을 이끌어내었다. 이들 도메인 중 중합효소와 3'-5' exonuclease (Klenow fragment)의 것들에 대한 삼차원구조가 결정되었다