פרימאז

DNA פרימאז (באנגלית: DNA primase) הוא אנזים המעורב בשכפול של DNA והוא סוג של פולימראז רנ"א (באנגלית: RNA polymerase). מזרז את הסינתזה של קטע RNA קצר (או DNA בחלק מהאורגניזמים) הנקרא פריימר משלים לתבנית ssDNA (DNA חד-גדילי). לאחר התארכות זו, פיסת ה-RNA מוסרת על ידי אקסונוקלאז 5' ל־3' ומוחלפת מחדש עם DNA.

 פעילות 
ממוזער|א-סימטריה בסינתזה של גדילים מובילים וגדילים מתעכבים, תפקידו של ה- DNA primase מוצג
ממוזער|left|שלבים בסינתזת ה- DNA, עם תפקידו של ה- DNA primase

בחיידקים (באנגלית:Bacteria), הפרימאז נקשר להליקאז ה-DNA ויוצר קומפלקס הנקרא פרימוזום (באנגלית:Primosome). הפרימאז מופעל על ידי הליקאז, ואז הוא מסנתז פריימר RNA קצר באורך של כ־11 ± 1 נוקליאוטידים, אליו ניתן להוסיף נוקליאוטידים חדשים באמצעות DNA פולימראז. פרימאזות ארכיאליות ואאוקריוטות הן חלבונים הטרודימריים עם יחידת בקרה אחת גדולה ויחידה קטליטית אחת קטנה.

מקטעי ה- RNA מסונתזים תחילה על ידי פרימאז ואז מוארכים על ידי DNA פולימראז. ואז ה- DNA פולימראז יוצר קומפלקס חלבון עם שתי יחידות משנה פרימאזות ליצירת קומפלקס אלפא של פולימרז ופרימראז (באנגלית:alpha DNA Polymerase primase complex) הפרימאז הוא אחד הפולימראזים המועדים לטעויות ואיטיות ביותר. פרימאזות באורגניזמים כגון E.coli מסנתזות סביב 2000 עד 3000 פריימרים בקצב של פריימר אחד לשנייה. פרימאז משמש גם כמנגנון עצירה כדי למנוע מהגדיל המוביל להתקדם יתר על המידה מהגדיל בפיגור על ידי עצירת התקדמות מזלג השכפול. השלב הקובע בקצב בפרימאז הוא כאשר נוצר הקשר הפוספודיאסטר הראשון בין שתי מולקולות של RNA.

מנגנוני השכפול נבדלים בין חיידקים ווירוסים שונים כאשר הפרימאז מתחבר קוולנטית להליקאז בנגיפים כמו חיידק T7. בנגיפים כמו נגיף הרפס סימפלקס (HSV-1), פרימאז יכול ליצור קומפלקסים עם ההליקאז. באותם נגיפים קומפלקס הפרימאזה-הליקאז משמש כדי לפתוח את ה-dsDNA (גדילי כפול) ומסנתז את הכגיל המתעכב באמצעות פריימרים של RNA. רוב הפריימרים המסונתזים על ידי פרימאז הם באורך של שניים עד שלושה נוקלאוטידים.

 סוגים של פרימאזות 
ישנם שני סוגים עיקריים של פרימאזות: DnaG שנמצא ברוב החיידקים, ו-AEP קיצור של Archaeo-Eukaryote Primase מייצג משפחת על של פרימאזות שנמצאות במחלקות של ארכאיות ואיקריוטות. בעוד שפרימאזות חיידקיות (מסוג DnaG) מורכבות מיחידת חלבון אחת (מונומר) ומסנתזות פריימרים של רנ"א, פרימאזות AEP מורכבות בדרך כלל משתי יחידות פרימאז שונות (הטרודימר) ומסנתזות פריימרים דו-חלקיים עם מרכיבי ה-RNA וה- DNA. אף על פי שהן דומות מבחינה תפקודית, שתי משפחות העל הראשוניות התפתחו עצמאית זו מזו.

 DnaG 
מבנה הקריסטל של הפרימאז ב-E. coli עם ליבה המכילה חלבון DnaG נקבע בשנת 2000. מתחם ה-DnaG וה- primase הוא בצורת קשיו ומכיל שלושה תת-תחומים. תת-הדומיין המרכזי יוצר קפל טופרים (באנגלית: toprim fold) שעשוי מתערובת חמישה יריעות בטא ושישה סלילי אלפא. קיפול הטופרים משמש לאינזימים רגולטורים ומחייבים מתכות. הפרימאז משתמש בתחום פוספוטרנספר לתאום העברה של מתכות, מה שמבדיל אותו מפולימראזות אחרות. יחידות המשנה הצדדיות מכילות מסוף NH2 ו-COOH העשוי מסלילי אלפא ויריעות בטא. מסוף NH2 מקיים אינטראקציה עם אתר קישור המכיל אבץ ואזור מסוף COOH אשר מתקשר עם DnaB-ID.

הקפל של טופרים נמצא גם בטופואיזומרז ובפרימזה / הליקאז של המיטוכרונדריה. כמה פריזאות דמויי DnaG (דמויות חיידקים) נמצאו בגנום ארכיאלי.

 AEP 
פרימאזות של אוקריוטה וארכיאות נוטות להיות דומות יותר זו לזו, מבחינת מבנה ומנגנון, מאשר לפניות חיידקיות. משפחת העל AEP קיצור של - Archaeo-Eukaryote Primase, אשר רוב יחידות המשנה הקטליטיות האוקריוטה וארכיאות שייכות אליהן, הוגדרה לאחרונה כמשפחת פרימאז-פולימראז כהכרה בתפקידים רבים אחרים שמילאו האנזימים במשפחה זו. סיווג זה מדגיש גם את המקורות הרבים של האינזימים המשתיכים ל-AEP; משפחת העל מוכרת כעת כחלק החסר במעבר בין פונקציות RNA ו-DNA.

פרימאזות ארכיאליות ואיקריוטות הן חלבונים הטרודימרים עם יחידת בקרה אחת גדולה (PRIM2 אנושי, p58) ותת יחידת קטליטית קטנה אחת (PRIM1 אנושית, p48 / p49). יחידת המשנה הגדולה מכילה מקבץ 4Fe – 4S (ברזל וגופרית) מקצה ה-N, אשר לעיתים מפוצל בארכיות מסוימות כ-PriX / PriCT. יחידת המשנה הגדולה (יחידת הבקרה) מעורבת בשיפור הפעילות והספציפיות של יחידת המשנה הקטנה. לדוגמה, הסרת החלק המתאים ליחידת המשנה הגדולה בחלבון היתוך PolpTN2 גורמת לאנזים איטי יותר עם פעילות תעתיק הפוך.

 פרימאזות רב תכליתיות 

למשפחת ה-AEP של הפרימרז-פולימראזות תכונות מגוונות מעבר לייצור תחליים בלבד. בנוסף להכנת פרימר לפלרמור ה-דנ"א במהלך שכפול, לאנזימים של AEP יכולות להיות פונקציות נוספות בתהליך שכפול הדנ"א, כגון פילמור של דנ"א או רנ"א, טרנספרז סופנית (באנגלית:Terminal deoxynucleotidyl transferase (TdT)), סינתזת מעבר (באנגלית:TLS), תיקון DNA לא הומולוגי (באנגלית:NHEJ) ואולי בהפעלה מחדש מזלגות שכפול תקועים. פרימאזות בדרך כלל מסנתזות פריימרים מריבונוקליאוטידים (באנגלית:NTP); עם זאת, לפרימאזות עם יכולות פולימראז יש גם זיקה לדאוקסיריב-נוקלאוטידים (באנגלית:dNTP). פרימאזות עם פונקציונליות טרנספרז סופנית מסוגלים להוסיף נוקלאוטידים לקצה 3 'של גדיל DNA ללא תלות בתבנית ומשמשות לעיתים ליצירת השונות בנוגדנים (רקומבינצית VDJ). אנזימים אחרים המעורבים בשכפול דנ"א, כגון הליקאזות, עשויים גם הם להפגין פעילות פרימאז.

 איקריוטים וארכאה 
PrimPol אנושי (ccdc111) בעל פונקציות של פרימאז ופולימראז, כמו פרימאזות ארכיאליות רבות; מציג פעילות טרנספרז סופנית בנוכחות היסוד מנגן; ומשחק תפקיד משמעותי בסינתזת מעבר (באנגלית:TLS) ובהפעלת מחדש של מזלגות שכפול תקועים. PrimPol מגויסת באופן פעיל לאתרים פגומים באמצעות האינטראקציה שלה עם RPA, חלבון מתאם המאפשר שכפול ותיקון DNA. ל-PrimPol תחום אצבעות אבץ הדומה לזה של כמה פרימאזות נגיפיות, שהוא חיוני לסינתזת מעבר ולפעילות הפרימאז ועשוי לווסת את אורך הפריימר. שלא כמו ברוב הפרימאזות, PrimPol מסוגל באופן ייחודי להתחיל שרשראות DNA עם dNTP.

ל- PriS, יחידת המשנה הקטנה של הפרימאזות הארכאית, יש תפקיד בסינתזת מעבר (TLS) ויכול לעקוף פגמים נפוצים של DNA. ברוב הארכאות חסרות הפולימראזות המתמחות המבצעות TLS אשר נמצאות באאוקריוטים ובחיידקים. PriS לבדו מסנתז באופן מועדף מחרוזות DNA; אך בשילוב עם PriL, מוגברת פעילות יחידת המשנה הגדולה של RNA פולימראז.

ב- Sulfolobus solfataricus ארכאה טרמופילית, ה-פרימאז PriSL, שהוא הטרודימר, יכול לשמש כ- פרימאז, פולימראז וטרנספרז סופי. PriSL נחשב ליזום סינתזת הפריימר עם NTPs ואז הוא עבור להשתמש ב-dNTP. האנזים יכול לפלמר שרשראות רנ"א או דנ"א, כשגדילי הדנ"א מגיעים עד 7000 נוקלאוטידים (7 קילו-בתים). מוצע כי פונקציונליות מרובה זו עשויה להיות מאפיין נפוץ של פרימאזות ארכיאליות.

 חיידקים 

פרימאזות רב-תכליתיות של AEP מופיעות גם בחיידקים ובקטריופאג' המדביקים אותם. הם יכולים להציג פונקציות רבות עוד יותר מעבר לפילמור.

ליגאז די' בבקטריה - LigD Bacterial (The DNA ligase D) מעורב בעיקר במסלול NHEJ. יש לו פונקציית AEP סופר-פולימראז / פרימאז, פונקציית 3'-פוספואסטרז ותחום ליגאז. הוא מסוגל לעשות פונקציות של פולימראז, DNA ו-RNA ופעילות טרנספראז סופנית. פונקציית הפילמור של - DNA יכולה לייצר גדילים באורך של 7000 נוקלאוטידים (7 קילו-בתים), ואילו פונקציית הפילמור של - RNA מייצר גדילים באורך של עד 1 קילו-בייט.

 נגיפים ופלסמידים 
את אנזימי AEP וניתן למצוא אותם מקודדים באלמנטים גנטיים ניידים כולל וירוסים / פאגים ופלסמידים. הם משתמשים בהם כחלבון שכפול יחיד או בשילוב עם חלבונים אחרים הקשורים לשכפול, כגון הליקאזות, ולעיתים נדירות, פולימראזות DNA. בעוד שנוכחות AEP בנגיפים אוקריוטים וארכיאאליים הייתה צפויה מכיוון שהם משקפים את המארחים שלהם, נגיפי החיידקים והפלסמידים מקודדים באותה תדירות גם אנזימי ממשפחת העל - AEP כפי שהם עושים את הפרימות של משפחת DnaG. מגוון רב של משפחות AEP נראה גם בפלסמידים חיידקיים שונים על ידי סקרי גנומיקה השוואתיים. ההיסטוריה האבולוציונית שלהם אינה ידועה כרגע, מכיוון שאלה שנמצאו בחיידקים ובקטריופאגים נראים שונים מאוד מאלו ההומולוגים הארכיאו-אוקריוטיים כפי שהיה אמור להיות אם הם היו נוצרים מהעברת גנים אופקית לאחרונה.

הליקאז דמוי MCM בזן Bacillus cereus ATCC 14579 (BcMCM) הוא הליקאז SF6 המשולב עם פרימאז AEP. לאנזים פונקציות פרימאז ופולימראז בנוסף לתפקוד הליקאז. הגן המקודד לו נמצא בפרופאג'. הליקאז זה נושא הומולוגיה ל-ORF904 של פלסמיד pRN1 מ-Sulfolobus islandicus, בעל תחום של פרימאז ופולימרז AEP . נגיף החיסון D5 ו-HSV Primase הם דוגמאות גם לאיחוי פרימאז הליקאז מסוג - AEP-helicase.

PolpTN2 הוא פרימאז ארכאי שנמצא בפלסמיד TN2. שילוב של תחומים הומולוגיים ל-PriS ול- PriL, והוא מציג הן פעילות של פרימאז ו-DNA פולימראז, כמו גם פונקציה של טרנספרז סופני. בניגוד לרוב הפרימאזות, PolpTN2 יוצר פריימרים המורכבים אך ורק מ-dNTP. באופן לא צפוי, כאשר היכולת מן האנזים הדמוה ה-PriL נעלמה, PolpTN2 יכול היה גם לסנתז DNA בתבנית ה-RNA, כלומר, שימש כפולימראז DNA תלוי RNA שעתוק במהופך (באנגלית: reverse transcriptase).

אפילו לפרימאזות של DnaG יכולות להיות פונקציות נוספות. הבקטריופאג' T7 gp4 הוא מיזוג של פרימאז והליקאז מסוג - DnaG primase-helicase, ומבצע את שתי הפונקציות בשכפול.

 קישורים חיצוניים 

Overview article on primase structure and function (1995)
Proteopedia: Helicase-binding domain of Escherichia coli primase
Proteopedia: Complex between the DnaB helicase and the DnaG primase

 הערות שוליים 

קטגוריה:ביולוגיה מולקולרית
קטגוריה:חומצות גרעין
קטגוריה:גנטיקה מולקולרית