科恩伯格与DNA聚合酶

对于DNA聚合酶与DNA复制机制的研究，亚瑟·科恩伯格（Arthur Kornberg）做出了杰出的贡献，被称为DNA酶学之父。

亚瑟·科恩伯格。引自诺贝尔基金会档案

科恩伯格1918年出生于纽约，从小就是学霸，15岁上大学，19岁获理学学士学位，23岁获医学博士学位。他在二战期间当过军医，退伍后顺利成为执业医师。但是，对疾病机理的兴趣促使他加入NIH研究营养学，而在研究叶酸的过程中，他最终确定了对于酶学的热爱。为此，他将自传命名为《For the Love of Enzymes. The Odyssey of a Biochemist》。

科恩伯格先后在奥乔亚（Severo Ochoa）、科里（Carl Cori）实验室学习，1947年在NIH从事核苷酸合成途径研究，1953年来到华盛顿大学，开始大肠杆菌方面的工作。1957年，科恩伯格纯化出DNA聚合酶I，并进行了DNA的人工合成。为此，他与奥乔亚分享了1959年诺贝尔生理或医学奖。

科恩伯格与奥乔亚分享1959年诺贝尔生理或医学奖。引自诺贝尔基金会档案

科恩伯格的长子罗杰·科恩伯格（Roger Kornberg）因为对真核转录的研究获得2006年诺奖。这使他们成为6对诺奖父子之一。次子托马斯（Thomas Kornberg）发现了DNA聚合酶II（PNAS，1971）和DNA聚合酶III（JBC，1972）。

现在我们知道，DNA聚合酶III是大肠杆菌DNA复制的主力，DNA聚合酶I主要用于修复。其实目前细菌的DNA聚合酶已经发现5种，用罗马数字I-V表示；真核DNA聚合酶至少有16种，用希腊字母表示。

真核生物DNA聚合酶。Annu Rev Genet. 2016

按照结构，DNA聚合酶被分为7个家族，A、B、C、D、X、Y和RT。细菌的聚合酶I-III分别属于A-C家族，D是古细菌特有的，后三种用于修复、跨损伤合成和端粒维持等过程，与复制关系不大。与复制相关的DNA聚合酶见下图。

复制性DNA聚合酶。Front Microbiol. 2014

大肠杆菌DNA聚合酶I（pol I）是单链球状蛋白，含锌。有聚合酶活性和外切酶活性，其中3’-5’外切酶活性起校正作用，5’-3’活性起修复和切除引物作用。DNA聚合酶I每秒钟只能聚合10个碱基，主要起损伤修复作用。

丹麦生化学家克列诺（H. Klenow）用枯草芽孢杆菌蛋白酶把DNA聚合酶Ⅰ切成2个片段，并证明较大片段具有DNA聚合酶活性和3′→5′外切核酸酶的活性，所以大片段后来被称为克列诺片段（Klenow fragment）。Klenow 片段既保留了酶的高保真性，又不会降解 DNA 5´ 末端，所以在分子生物实验中经常用到，如末端补平、引物标记等。

嗜热脂肪芽孢杆菌DNA聚合酶I。PLoS Comput Biol. 2014

DNA聚合酶II（pol II）也是单链蛋白，由dinA（polB）基因编码，以切口双链DNA为模板。它被DNA损伤诱导，参与SOS反应。复制叉遇到模板损伤时会发生停滞、断裂，必须及时处理，比如复制重启（replication restart）。有研究认为，Pol II参与无错的复制重启，发生在损伤后30秒内。如果pol II缺陷，就要在损伤50分钟后，由pol V进行易错的复制，以避免死亡（Proc Natl Acad Sci U S A. 2001）。

DNA聚合酶III是细菌基因组DNA复制的主要酶，每秒可聚合1000个碱基。其功能与聚合酶I相似，但更大、更复杂。它是寡聚蛋白，全酶共10种亚基，含锌。

聚合酶III可分为三个子复合物：αεθ核心具有5'-3'聚合酶和3'-5'校正活性，β 2滑动钳（sliding clamp）赋予核心进行性，(τ/γ)3 δδ′ψχ称为钳加载器，不仅负责把滑动钳加载到DNA上，但还组织整个复制叉，参与核心、解旋酶和SSB等组分之间的相互作用。钳装载器还决定全酶中核心的数量。前导链和滞后链的协同复制需要至少两个核心，全酶是不对称二聚体，分子量接近百万。

真核复制性DNA聚合酶。Annu Rev Biochem. 2017

真核生物有16种DNA聚合酶，其中对于复制最重要的三种都属于B族：Polε相当于细菌的pol III，用于前导链合成；Polα作为引发酶，为滞后链合成引物；Polδ用于滞后链冈崎片段的合成。

真核DNA聚合酶在复制叉上的位置。Genetics. 2016