ADN polymérase

Cinq ADN polymérases ont été identifiées chez les procaryotes :

• Pol I : impliquée dans la réparation et la réplication de l’ADN. Elle possède une activité polymérase 5’ → 3’, une activité exonucléase 3’ → 5’ pour la relecture, et enfin une activité exonucléase 5’ - 3’ qui lui permet d'éliminer les amorces d'ARN des fragments d'Okazaki pendant la réplication. Son activité polymérase lui permet de synthétiser de l'ADN destiné à être immédiatement suturé par une ADN ligase.

La Pol I est peu processive et se dissocie de la matrice après l'ajout d'une vingtaine de nucléotides.

En biologie moléculaire, seule une partie de la protéine, appelée fragment de Klenow, est employée. Ce fragment contient l'activité polymérase 5’ → 3’ et l'activité exonucléase 3’ → 5’.

• Pol II : impliquée dans la réplication de l'ADN endommagé, elle possède une activité polymérase 5’ → 3’ et une activité exonucléase 3’ → 5’.

La Pol II est peu processive.

• Pol III : c’est la principale polymérase, qui intervient dans l'élongation de la chaîne d'ADN lors de la réplication au niveau du brin avancé et de la synthèse des fragments d’Okazaki. Elle est formée de trois sous-unités qui en constituent l'holoenzyme :
  • la sous-unité α (alpha) possède l'activité polymérase 5’ → 3’,
  • la sous-unité ε (epsilon) possède l'activité exonucléase 3’ → 5’, et
  • la sous-unité θ (thêta) stimule l'activité de « proofreading » de la précédente.
• Cette holoenzyme forme le noyau d'un réplisome constitué en tout de dix protéines :
  • deux holoenzymes de polymérase III,
  • deux unités β (bêta) agissant comme pince à ADN (clamp),
  • deux unités τ (tau) permettant de dimériser l'holoenzyme de polymérase III,
  • une unité γ (gamma) dite chargeur de clamp elle-même constituée de trois sous-unités γ proprement dites, une sous-unité δ (delta) et une sous-unité δ’ (delta prime), et enfin
  • une unité Χ (Khi) et une unité Ψ (Psi) formant un complexe 1:1 qui se lie à l'unité τ ou à l'unité γ.

Pendant la réplication, le complexe γ se place à l'ouverture de la fourche de réplication en contact avec l'hélicase. Il déplace les sous-unités β (appelées aussi clamp bêta) autour de chaque brin d'ADN matrice comme des pinces pour permettre à l'holoenzyme qui lui est liée de glisser sur le brin matrice. De plus, le complexe γ est lié aux deux unités τ elles-mêmes liées aux deux sous-unités α des holoenzymes.

La Pol III est très processive.

• Pol IV : ADN polymérase de la famille Y.

• Pol V : ADN polymérase de la famille Y.

• Pol α (alpha) : à la suite des amorces d'ARN synthétisées par la primase lors de l'initiation, Pol α synthétise de courtes séquences d'ADN d'une vingtaine de nucléotides de long. Cette polymérase ne possède pas de fonction exonucléasique 3’ → 5’. Elle est associée en un complexe avec la primase responsable de la synthèse de l'amorce d'ARN[1].

• Pol β (bêta) : cette polymérase est impliquée dans des processus de réparation de l'ADN. Elle ne possède pas de fonction exonucléasique. Elle correspond à la Pol II bactérienne.

• Pol γ (gamma) : cette polymérase de la famille A intervient dans la réplication de l'ADN mitochondrial.

• Pol δ (delta) : c'est la polymérase principale qui intervient dans la réplication de l'ADN chez les eucaryotes, avec l'ADN Pol ε, dans la synthèse du brin avancé et du brin retardé. Elle possède aussi une activité exonucléasique 3' vers 5' intervenant dans la correction des erreurs et dans des processus de réparation. La polymérase δ est hautement processive lorsqu'elle est associée au PCNA. Cette polymérase correspond à la Pol III bactérienne.

• Pol ε (epsilon) : elle possède une activité polymérase 5’ → 3’ et une activité exonucléase 3’ → 5’ et intervient dans la réplication et la réparation de l'ADN. Elle lit dans le sens 3’ → 5’ et synthétise 5’ → 3’ la zone du télomère qui ne peut être synthétisée par la Pol δ (une amorce préalable doit être posée par la primase sur l'extrémité 3’ allongée du télomère). Une ligase réalise ensuite la suture entre les deux brins.

• Pol ζ (zêta) : polymérase de la famille B.

• Pol η (êta) : polymérase de la famille Y.

• Pol θ (thêta) : polymérase de la famille A. Une récente publication indique que si elle ne fait pas une excellente transcriptase, elle est capable d'effectuer une rétrotranscription[2].

• Pol ι (iota) : polymérase de la famille Y.

• Pol κ (kappa) : polymérase de la famille Y.

• Rev1 : polymérase de la famille Y.

• Polymérase B : toutes les ADN polymérases de type B identifiées chez les archées présentent une activité polymérase 5’ → 3’ et une activité exonucléase 3’ → 5’. Elles sont constituées d'une seule sous-unité.

• Polymérase D : ces ADN polymérases trouvées chez les Euryarchaeota sont constituées de deux sous-unités différentes. La grande sous-unité DP2 possède l'activité catalytique, mais seulement en présence de la petite sous-unité DP1.

Sur la base d’homologie de séquence protéique et de structure, les polymérases peuvent être divisées en différentes familles : A, B, C, D, X, Y et RT.

• Garg, P. et P. M. Burgers. 2005. DNA polymerases that propagate the eukaryotic DNA replication fork. Crit Rev Biochem Mol Biol 40:115-28.
• Hubscher, U., G. Maga, et S. Spadari. 2002. Eukaryotic DNA polymerases. Annu Rev Biochem 71:133-63.
• Kelman, Z. 2000. DNA Replication in the Third Domain (of Life). Current Protein and Peptide Science 1:139-154.
• Johnson, A., and M. O'Donnell. 2005. Cellular DNA replicases: components and dynamics at the replication fork. Annu Rev Biochem 74:283-315.
• Nohmi, T. 2006. Environmental Stress and Lesion-Bypass DNA Polymerases. Annu Rev Microbiol.