什么是 DNA 聚合酶

DNA 聚合酶的发现之旅

DNA 聚合酶的主要功能

复制 —— 遗传信息的传递接力

DNA 聚合酶的主要使命之一是在细胞分裂时，精确地复制原有的 DNA，从而确保遗传信息能够丝毫不差地传递给下一代细胞。在这个过程中，DNA 聚合酶如同精密的 “工匠”，它们成对工作，同时对 DNA 的两条链进行复制。具体来说，DNA 聚合酶会在新生 DNA 链的 3′ - OH 端添加脱氧核苷酸，按照碱基互补配对原则，腺嘌呤（A）与胸腺嘧啶（T）配对，鸟嘌呤（G）与胞嘧啶（C）配对，使得 DNA 链以 5′→3′的方向不断延伸。不过，DNA 聚合酶自身无法启动复制的 “开关”，需要有引物的存在，它才能开始添加核苷酸的工作。在原核生物中，DNA 聚合酶 III 担当起主要负责复制的重任；而在真核生物里，DNA 聚合酶 δ 则是复制工作的 “主力军”。另外，DNA 聚合酶 I 也发挥着重要的辅助作用，它通过 5′→3′外切酶活性去除滞后链上的 RNA 引物，并利用聚合酶活性填补引物移除后留下的空隙。

修复 —— 基因组的忠诚卫士

DNA 复制是一个复杂且庞大的工程，维持基因组的完整性不容有失。除了复制过程中可能出现的错误，外界环境等因素也会导致 DNA 损伤，因此 DNA 修复是一个持续不停的过程。DNA 聚合酶在其中扮演着关键角色，通过一系列的机制来修正这些错误和损伤。

校对 —— 精准复制的保障防线

DNA 复制虽然是一个高度精确的过程，但并非万无一失，大约每加入 10⁴到 10⁵个核苷酸就可能发生一次错误。如果这些错误得不到纠正，不正确的碱基配对可能会严重影响蛋白质的正常功能，甚至可能引发癌症等严重后果。此时，DNA 聚合酶的外切酶活性就发挥了重要作用。它能够向后移动一步，通过 3′→5′外切酶活性将错配的碱基移除，这个过程就叫做校对。此外，DNA 聚合酶还参与复制后修复过程以及跨损伤合成过程。在跨损伤合成过程中，即使面对未修复的 DNA 损伤区域，DNA 聚合酶也能 “想办法” 跨越过去，使复制得以继续进行。

DNA 聚合酶在原核生物与真核生物中的差异

原核生物中的 DNA 聚合酶

1. DNA 聚合酶 I：由 polA 基因编码，是由一条多肽链构成的单体酶。它主要参与 DNA 的重组与修复工作，具备 5'→3' 和 3'→5' 两个方向的外切酶活性。在 DNA 复制过程中，它利用 5'→3' 外切酶活性从滞后链中去除 RNA 引物，然后凭借聚合酶功能填补产生的空隙。
2. DNA 聚合酶 II：由 polB 基因编码，由七个亚基构成。它的主要职责是进行 DNA 修复，同时也作为 DNA 聚合酶 III 的 “候补队员”。它具有 3'→5' 外切酶活性，具备一定的校对能力，能够在 DNA 修复过程中纠正一些错误。
3. DNA 聚合酶 III：这是大肠杆菌中主要执行 DNA 复制任务的 “核心成员”，由 polC 基因编码。它具有最高的聚合速率与延展性，能高效地完成 DNA 复制工作。同时，它也具备 3'→5' 的校对功能，确保复制的准确性。它由 13 个亚基组成，包含 9 种不同类型的亚基，其中两个核心结构域各由 α（执行聚合酶功能）、ε（3'→5' 外切酶）和 θ 亚基构成。此外，它还与一个由 τ₂γδδ’构成的装夹复合体相连，χ 与 ψ 两个亚基也附着于其中。β 亚基以二聚体的形式形成两个滑动夹环，显著增强聚合酶的延展性，使其在复制过程中不会轻易脱离 DNA 模板。
4. DNA 聚合酶 IV：由 dinB 基因编码，当细胞遭遇 DNA 损伤、复制被阻断时，它会启动 SOS 修复反应，负责进行跨损伤合成，以绕过 DNA 模板中的损伤区域继续合成 DNA。
5. DNA 聚合酶 V：由一个 UmuC 单体和一个 UmuD 二聚体构成，同样在 SOS 反应期间发挥重要作用，参与受损 DNA 的容错性复制和修复。

真核生物中的 DNA 聚合酶

1. DNA 聚合酶 δ：作为真核生物中主要的 DNA 复制酶，它具有 3'→5' 外切酶活性，可用于校对，确保 DNA 复制的准确性，对维持真核生物基因组的结构完整性和遗传稳定性具有重要作用2。
2. DNA 聚合酶 α：其主要功能是合成引物。它的小亚基具有引物酶活性，而大亚基具有聚合酶活性。在 DNA 复制过程中，它为冈崎片段合成引物，然后由 DNA 聚合酶 δ 接着延长引物，完成 DNA 的复制。
3. DNA 聚合酶 θ：主要功能是进行 DNA 修复，并在滞后链上移除冈崎片段的引物，为 DNA 的准确复制和修复提供保障。
4. DNA 聚合酶 γ：是真核生物中线粒体 DNA 的主要复制酶，负责线粒体 DNA 的复制工作，保障线粒体遗传信息的稳定传递。

特殊的 DNA 聚合酶 ——EG20101S - 抗体法热启动 Taq DNA 聚合酶

     EG20101S - 抗体法热启动 Taq DNA 聚合酶是一种经过特殊修饰的 DNA 聚合酶。它使用单克隆抗体进行修饰，在 55℃以下时，抗体可以有效地封闭 DNA 聚合酶的活性，就像给酶 “戴上了枷锁”，使其无法随意工作。而当温度升高到一定程度，抗体与酶发生不可逆解离，聚合酶就会恢复活性，“枷锁” 被解开，开始正常工作。这种特性使得它能够有效避免低温下的非特异性扩增，大大提高了 PCR 等实验的准确性和可靠性。

不同类型的 DNA 聚合酶（英文名称）

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