DNA polymerases without the 3' exonuclease function ($exo^-$ pol) have been widely used in sequencing and SNP genotyping. As a major player that expedited the coming of the postgenomic era, $exo^-$ polymerases worked remarkably well in the Human Genome Sequencing Project. However, it has become a challenge for this class of polymerases to efficiently screen the large number of SNPs that are found in the human genome. For more than three decades it has been recognized that polymerase fidelity varied according to the presence of proofreading activity that is mediated by its internal 3' exonuclease. Polymerases with proofreading function are famous for their high fidelity in DNA replication both in vivo and in vitro, but this well-known class of polymerases has been almost completely neglected in genetic analysis in the postgenomic era. We speculate that $exo^+$ polymerases may exhibit higher nucleotide identification ability when compared to $exo^-$ polymerases for an in vitro genetic analysis. With the application of $exo^+$ polymerases in SNP assays, a novel mechanism for the maintenance of DNA replication, the on/off switch, was discovered. Two new SNP assays have been developed to carry out genome-wide genotyping, taking advantage of the enzymatic properties of $exo^+$ polymerases. Furthermore, the on/off switch mechanism embodies a powerful nucleotide identification ability, which can be used to discriminate the bases that are upstream of the 3' terminus, and thus defines a new concept in de novo sequencing technology. Application of $exo^+$ polymerases to genetic analysis, and especially SNP assays, will greatly accelerate the pace to personalized medicine.
The uracil-sensing domain in archaeal family B-type DNA polymerases recognizes pro-mutagenic uracils in the DNA template, leading to stalling of DNA polymerases. Here, we describe our new findings regarding the molecular, mechanism underpinning the stalling of polymerases. We observed that two successive deaminated bases were required to stall TNA1 and KOD1 DNA polymerases, whereas a single deaminated base was enough for stalling Pfu DNA polymerase, in spite of the virtually identical uracil-sensing domains. TNA1 and KOD1 DNA polymerases have a much higher extension rate than Pfu DNA polymerase; decreasing the extension rate resulted in stalling by TNA1 and KOD1 DNA polymerases at a single deaminated base. These results strongly suggest that these polymerases require two factors to stop DNA polymerization at a single deaminated base: the presence of the uracil-sensing domain and a relatively slow extension rate.
According to the Baltimore Scheme, viruses are classified into 6 main classes based on their replication and coding strategies. Except for some small DNA viruses, most viruses code for their own polymerases: DNA-dependent DNA, RNA-dependent RNA and RNA-dependent DNA polymerases, all of which contain 4 common motifs. We undertook a phylogenetic study to establish the relationship between the Baltimore Scheme and viral polymerases. Amino acid sequence data sets of viral polymerases were taken from NCBI GenBank, and a multiple alignment was performed with CLUSTAL X program. Phylogenetic trees of viral polymerases constructed from the distance matrices were generally consistent with Baltimore Scheme with some minor exceptions. Interestingly, negative RNA viruses (Class V) could be further divided into 2 subgroups with segmented and non-segmented genomes. Thus, Baltimore Scheme for viral taxonomy could be supported by phylogenetic analysis based on the amino acid sequences of viral polymerases.
Zhang, Jia;Chen, Lin-Ling;Guo, Zi-Fen;Peng, Cui-Ying;Liao, Duan-Fang;Li, Kai
BMB Reports
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v.36
no.6
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pp.529-532
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2003
The potential physiological role and technological application of the premature termination of DNA polymerization through the off-switch of exo+ polymerases were studied using 3' phosphorothioate-modified or unmodified primers with single base mismatch distal to the 3' terminus. With exonuclease-digestible unmodified primers, a gradient premature termination of DNA polymerization was observed when amplified with exo+ polymerases. With 3' allele specific phosphorothioate-modified primers, an efficient off-switch effect occurred in the discrimination of a single nucleotide polymorphism when directly using genomic DNA. Clearly, the off-switch of exo+ polymerases is useful in biomedical research.
Kim, Eun-Kyoung;Youn, Hye-Sook;Koo, Yong-Bom;Roe, Jung-Hye
Journal of Microbiology
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v.35
no.4
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pp.264-270
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1997
The structure of plasmid mlp1, a linear 10.2kb mitochondrial plasmid of Pleurotus ostreatus NFF A2 was determined by restriction enzyme mapping and partial sequencing. The plasmid encodes at least two proteins; a putative RNA polymerase showing homology to yeast mitochondrial RNA polymerase and to viral-encoded RNA polymerases, and a putative DNA polymerase showing significant homology to the family B thpe DNA polymerases. It also contains terminal inverted repeat sequences at both ends which are longer than 274 bp. A 1.6 kb EcoRI restriction fragment of m1p1 containing the putative RNA polymerase gene did not hybridize to the nuclear or motochondrial genomes from P. ostreatus, suggesting that it may encode plasmidspecific RNA polymerase. The gene fragment also did not hybridize with the RNA polymerase gene (RPO41) from Saccaromyces cerevisiae. The relationship between genes in m1p1 and those in another linear plasmid pC1K1 of Claviceps purpurea was examined by DNA hybridization. The result indicates that the genes for DNA and RNA polymerases are not closely related with those in C. purpurea.
Confluent AGMK cells were infected by large plaque SV40 virus. Levels of DNA polymeras $({\alpha}\;and\;{\beta})$ were measured in the cytoplasm and the cell nucleus. The activities of DNA $polymerase-{\alpha}$ which found in both the cell nucleus and the cytoplasm were increased approximately eight folds at 48 hours after infection of SV40 virus. Only insignificant but constant amounts of DNA $polymerase-{\beta}$ were found either in the nucleus of the SV40 infected cell or of the uninfected cell. The characteristics of the SV40 virus induced DNA polymerases were compared with that of the uninfected cellular DNA polymerase in regard of the effects of pH, salt concentration, NEM concentration and temperature on those enzyme activities. No differential effect was found between both enzymes. Endouclease activities wre examined in the purified DNA $polymerase-{\alpha}\;and\;{\beta}$. The low level of endonuclease activity which might cut SV40 DNA 1 at one site was observed in the DNA $polymerase-{\alpha}$ whereas high but nonspecific endonuclease activities were found in the DNA $polymerase-{\beta}$.
Stalled DNA replication forks activate specific DNA repair mechanism called post-replication repair (PRR) pathways that simply bypass DNA damage. The bypassing of DNA damage by PRR prevents prolonged stalling of DNA replication that could result in double strand breaks (DSBs). Proliferating cell nuclear antigen (PCNA) functions to initiate and choose different bypassing pathways of PRR. In yeast, DNA replication forks stalled by DNA damage induces monoubiquitination of PCNA at K164, which is catalyzed by Rad6/Rad18 complex. PCNA monoubiquitination triggers the replacement of replicative polymerase with special translesion synthesis (TLS) polymerases that are able to replicate past DNA lesions. The PCNA interaction motif and/or the ubiquitin binding motif in most TLS polymerases seem to be important for the regulation of TLS. The TLS pathway is usually error-prone because TLS polymerases have low fidelity and no proofreading activity. PCNA can also be further polyubiquitinated by Ubc13/ Mms2/Rad5 complex, which adds an ubiquitin chain onto monoubiquitinated K164 of PCNA. PCNA polyubiquitination directs a different PRR pathway known as error-free damage avoidance, which uses the newly synthesized sister chromatid as a template to bypass DNA damage presumably through template switching mechanism. Mammalian homologues of all of the yeast PRR proteins have been identified, thus PRR is well conserved throughout evolution. Mutations of some PRR genes are associated with a higher risk for cancers in mice and human patients, strongly supporting the importance of PRR as a tumor suppressor pathway.
The Bombyx mori parvo-like virus (China isolate) DNA polymerase (BmDNV-3 dnapol) gene has been tentatively identified based on the presence of conserved motifs. In the present study, we perform a transcriptional analysis of the BmDNV-3 dnapol gene using the total RNA isolated from BmDNV-3 infected silkworm at different times. Northern blot analysis with a BmDNV-3 dnapol-specific riboprobe showed a major transcript of 3.3 kb. 5'-RACE revealed that the major transcription start point was located 20 nucleotides downstream of the TATA box. In a temporal expression analysis using differential RT-PCR, BmDNV-3 dnapol transcript was detected at low levels at 6 h.p.i., increased from 6 to 36 h.p.i., and remained fairly constant thereafter. Analysis of the predicted DNA polymerase sequence using neighborjoining and protein parsimony algorithms indicated that the predicted 1115-residue polypeptide contained five motifs associated with DNA polymerases synthetic activities and three additional motifs associated with polymerases possessing 3' to 5' exonuclease activity. The molecular phylogenetic analysis of this gene supported the placement of Bombyx mori parvo-like virus in a separate virus family.
Taq DNA polymerase exhibits a sizable drawback compared to the other thermophilic DNA polymerases in that it demonstrates lower proof-reading activity due to the deficiency of 3'-5'exonuclease activity. A study was undertaken to improve the 3'-5' exonuclease activity in the PCR of Taq DNA polymerase. The three-dimensional structural alignment of the polymerase and 3'-5' exonuclease domains from the pol I family DNA polymerases explains why Taq DNA polymerase has just a background level of 3'-5'exonuclease activity. A comparison indicated that the two polymerase domains are very similar in primary and tertiary conformations, even though Taq DNA polymerase carries a much shorter 3'-5'exonuclease domain than that of E. coli DNA polymerase I. Those two polymerase domains were interchanged between Taq DNA polymerase and E. coli DNA polymerase I. The 3'-5' exonuclease domain from E. coli DNA polymerase I was separated and pasted into the polymerase domain of Taq DNA polymerase I, which resulted in a functional fusion-Stoffel fragment. The 3'-5'exonuclease activity of the fusion-Stoffel fragment increased up to 48% of the value of the Klenow fragment, while that of Taq DNA polymerase remained at 6.0% of the Klenow fragment.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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