脱氧核糖核酸聚合酶（DNA polymerase），又称DNA依赖的DNA聚合酶（DNA—dependent DNA polymerase，DNA pol），它是以亲代DNA为模板，催化底物dNTP分子聚合形成子代DNA的一类酶。常用的DNA聚合酶有耐热性DNA聚合酶、大肠杆菌DNA聚合酶 I、Klenow酶、T4噬菌体DNA聚合酶及反转录酶等。脱氧核糖核酸聚合酶是细胞复制DNA的重要作用酶。DNA聚合酶的主要活性是催化DNA的合成（在具备模板、引物、dNTP等的情况下）及其相辅的活性。

脱氧核糖核酸聚合酶最早是美国科学家Arthur Komberg于1957年在大肠杆菌中发现的，被称为DNA聚合酶Ⅰ（DNA polymerase Ⅰ，简称pol Ⅰ）以后陆续在其他原核生物及真核生物中找到了多种DNA聚合酶。这些DNA聚合酶的共同特征为：①具有5’→3’聚合酶活性，这就决定了DNA只能沿着5’→3’方向合成；②需要引物，DNA聚合酶不能催化DNA新链从头合成，只能催化dNTP加入核苷酸链的3'-OH末端。因而复制之初需要一段脱氧核糖核酸引物的3’一OH端为起点，合成5’→3’方向的新链。

DNA聚合酶 , 以DNA为复制模板，从将DNA由5'端点开始复制到3'端的酶。 DNA聚合酶（DNA polymerase）的主要活性是催化DNA的合成（在具备模板、引物、dNTP等的情况下）

及其相辅的活性。真核生物有5种DNA聚合酶，分别为DNA聚合酶α（定位于胞核，参与复制引发具5－3外切酶活性），β（定位于核内，参与修复，具5－3外切酶活性），γ（定位于线粒体，参与线粒体复制具5－3和3－5外切活性），δ（定位核，参与复制，具有3－5和5－3外切活性），ε（定位于核，参与损伤修复，具有3－5和5－3外切活性）。原核生物有3种脱氧核糖核酸聚合酶，都与DNA链的延长有关。DNA聚合酶I是单链多肽，可催化单链或双链DNA 的延长；DNA聚合酶II则与低分子脱氧核糖核苷酸链的延长有关；DNA聚合酶III在细胞中存在的数目不多，是促进DNA链延长的主要酶。

在50年代的中期，A. Kornberg和他的同事们就想到DNA的复制必然是一种酶的催化作用，于是决心分离出这种酶并研究其结构和作用机制。为了达到这个目的，他们分离的蛋白，然后加到体外合成系统中即同位素标记的dNTP、Mg2＋及模板脱氧核糖核酸，经过大量的工作，于1956年终于发现了DNA聚合酶Ⅰ（DNA polymerase Ⅰ，DNA pol Ⅰ）原来称为Kornberg酶。以后又相续发现了DNA pol Ⅱ和DNA pol Ⅲ。开始人们以为DNA pol I是细菌中DNA复制主要的酶类，后来发现DNA pol Ⅰ的突变株照样可以复制，

才清楚它并不是主角。现在已经知道在DNA复制中起主导作用的是DNA pol Ⅲ，至于pol Ⅱ的功能现在还不十分清楚。脱氧核糖核酸聚合酶的共同特点是：（1）需要提供合成模板；（2）不能起始新的DNA链，必须要有引物提供3'－OH；（3）合成的方向都是5'→3'（4）除聚合DNA外还有其它功能。所有原核生物和真核生物的DNA聚合酶都具有相同的合成活性，都可以在3'－OH上加核苷酸使链延伸，其速率为1000 Nt/min。加什么核酸是根据和模板链上的碱基互补的原则而定的。E.coli的DNA pol Ⅰ涉及DNA损伤修复，在半保留复制中起辅助的作用。脱氧核糖核酸 pol Ⅱ在修复损伤中也是有重要的作用。DNA pol Ⅲ是一种多亚基的蛋白。在DNA新链的从头合成（de novo）中起复制酶的作用。

此酶最早在大肠杆菌中发现，以后陆续在其他原核生物及微生物中找到。

这类酶的共同性质是：以脱氧核糖核苷酸三磷酸(dNTP)为前体催化合成DNA;需要模板和引物的存在；不能起始合成新的DNA链；催化dNTP加到生长中的DNA链的3'-OH末端；催化DNA合成的方向是5'→3'。下面首先介绍大肠杆菌的脱氧核糖核酸聚合酶，然后简略说明一下其他原核生物的DNA聚合酶和真核生物DNA聚合酶。

聚合作用：在引物核糖核酸'-OH末端，以dNTP为底物，按模板DNA上的指令由DNApolⅠ逐个将核苷酸加上去，就是DNApolⅠ的聚合作用。酶的专一性主要表现为新进入的脱氧核糖核苷酸必须与模板DNA联会时才有催化作用。dNTP进入结合位点后，可能使酶的构象发生变化，促进3'-OH与5'-PO4结合生成磷酸二键。

若是错误的核苷酸进入结合位点，则不能与模板配对，无法改变酶的构象而被3'-5'外切酶活性位点所识别并切除之。3'→5'外切酶活性──校对作用：这种酶活性的主要功能是从3'→5'方向识别和切除不配对的脱氧核糖核酸生长链末端的核苷酸。当反应体系中没有反应底物dNTP时，由于没有聚合作用而出现暂时的游离现象，从而被3'→酸性红87外切酶活性所降解。如果提高反应体系的温度可以促进这种作用，这表明温度升高使DNA生长链3'末端与模板发生分离的机会更多，因而降解作用加强。当向反应体系加入dNTP，而且只加放与模板互补的上述核苷酸才会使这种外切酶活性受到抑制，并继续进行DNA的合成。由此推论，3'→5'外切酶活性的主要功能是校对作用，当加入的核苷酸与模板不互补而游离时则被3'→5'外切酶切除，以便重新在这个位置上聚合对应的核苷酸。在某些T4噬菌体突变株中脱氧核糖核酸复制的真实性降低，而易发生突变，从此突变株分离得到的T4DNA聚合酶的3'→5'外切酶活性很低。相反，另外一些具有抗突变能力的T4突变株中的T4DNA聚合酶的3'→5'外切酶活性比野生型高得多，因此，其DNA复制真实性好，变异率低。可见，3'→5'外切酶活性对DNA复制真实性的维持是十分重要的。5'→3'外切酶活性──切除修复作用:5'→3'外切酶活性就是从5'→3'方向水解DNA生长链前方的DNA链，主要产生5'-脱氧核糖核苷酸。这种酶活性只对脱氧核糖核酸上联会部份(双链)磷酸二酯键有切割活力作用，方向是5'→3'。每次能切除10个核苷酸，而且DNA的聚合作用能刺激5'→3'外切酶活力达10倍以上。因此，这种酶活性在DNA损伤的修复中可能起着重要作用。对冈崎片段5'末端DNA引物的去除依赖此种外切酶活性。焦磷酸解作用:DNApolⅠ的这种活性可以催化3'末端焦磷酸解DNA分子。这种作用就是无机化合物焦磷酸分解DNA生长链，可以认为是DNA聚合作用的逆反应，而且这种水解DNA链作用需要有模板DNA的存在。(dNMP)n+XPPi←(dNMP)n-x+X(dNPPP)→脱氧核糖核酸焦磷酸交换作用：催化dNTP末端的PPi同无机焦磷酸的交换反应。反应式为32P32Pi+dNPPP←dNP32P32P+PPi→DNA最后两种作用，都要求有较高浓度的PPi，因此，在体内由于没有足够高的PPi而无重要意义。DNApolⅠ的DNA聚合酶活性和5'→3'外切酶活性协同作用，可以使DNA链上的切口向前推进，即没有新的DNA合成，只有核苷酸的交换。这种反应叫缺口平移(Nick translation)。当双链脱氧核糖核酸上某个磷酸二酯键断裂产生切口时，DNApoIⅠ能从切口开始合成新的NDA链，同时切除原来的旧链。这样，从切口开始合成了一条与被取代的旧链完全相同的新链。如果新掺入的脱氧核糖核苷酸三磷酸为α-32P-dNTP，则重新合成的新链即为带有同位素标记的DNA分子，可以用作探针进行分子杂交实验。尽管DNApolⅠ是第一个被鉴定的DNA聚合酶，但它不是在肠杆菌属中DNA复制的主要聚合酶。主要证据如下：纯化的DNApolⅠ催化dNTP掺入的速率为667碱基/分，而体内DNA合成速率要比此高二倍数量级；大肠杆菌的一个突变株中，此酶的活力正常，但染色体脱氧核糖核酸复制不正常；而在另一些突变株中，DNApolⅠ的活力中只是野生型的1%，但是DNA复制却正常，而且此突变株增加了对紫外线、烷化剂等突变因素的敏感性。这表明该酶与DNA复制关系不大，而在DNA修复中起着重要的作用。

1、大肠杆菌DNA聚合酶Ⅰ(DNApolymeraseⅠ，DNApolⅠ)这是1956年由阿瑟·科恩伯格首先发现的DNA聚合酶，又称Kornber酶。此酶研究得清楚而且代表了其他脱氧核糖核酸聚合酶的基本特点。(1)理化性质：纯化的DNApolⅠ由一条多肽链组成，约含1000个残基，MW为109KD。分子含有一个二硫键和一个-SH基。通过二个酶分子上的-SH基与Hg2+结合产生二聚体，仍有活性。每个酶分子中含有一个Zn2+，在DNA聚合反应起着很重要的作用。每个大肠杆菌细胞中含有约400个分子，每个分子每分钟在37℃下能催化667个核苷酸掺入正在生长的DNA链。经过枯草杆菌蛋白酶处理后，酶分子分裂成两个片段，

大片段分子量为76KD，通常称为Klenow片段，小片段的分子量为34KD。此酶的模板专一性和底物专一性均较差，它可以用人工合成的核糖核酸作为模板，也可以用核苷酸为底物。在无模板和引物时还可以从头合成同聚物或异聚物。DNAPolⅠ在空间结构上近似球体，直径约65A。在酶的纵轴上有一个约20A的深沟(cleft)，带有正电荷，这是该酶的活性中心位置，在此位置上至少有6个结合位点：模板脱氧核糖核酸结合位点;DNA生长链或引物结合位点；引物末端结合位点，用以专一引物或DNA生长链的3'-OH;脱氧核苷三磷酸结合位点;5'→3'外切酶活性位点，用以结合生长链前方的5'-端脱氧核苷酸并切除之;3'→5'外切酶活性位点，用以结合和切除生长链上未联会的3'-端核苷酸。2、大肠杆菌DNA聚合酶Ⅱ(DNApolⅡ)：DNA聚合酶Ⅰ缺陷的突变株仍能生存，这表明DNApolⅠ不是DNA复制的主要聚合酶。人们开始寻找另外的脱氧核糖核酸聚合酶，并于1970年发现了DNApolⅡ。此酶MW为120KD，每个细胞内约有100个酶分子，但活性只有DNApolⅠ的5%。该酶的催化特性如下：(1)聚合作用：该酶催化DNA的聚合，但是对模板有特殊的要求。该酶的最适模板是双链DNA而中间有空隙(gap)的单链DNA部份，而且该单链空隙部份不长于100个核苷酸。对于较长的单链DNA模板区该酶的聚合活性很低。(2)该酶也具有3'→5'外切酶活性，但无5'→3'外切酶活性。(3)该酶对作用底物的选择性较强，一般只能将2-脱氧核糖核苷酸掺入到脱氧核糖核酸链中。(4)该酶不是复制的主要聚合酶，因为此酶缺陷的大肠杆菌突变株的DNA复制都正常。可能在DNA的损伤修复中该酶起到一定的作用。 3、大肠杆菌DNA聚合酶Ⅲ(DNApolⅢ)：DNA pol Ⅲ全酶由多种亚基组成(见下表)，而且容易分解。大肠杆菌每个细胞中只有10-20个酶分子，因此不易获得纯品，为研究该酶的各种性质和功能带来了许多困难。直到不久前，才对其性质和功能有所了解，但每个亚基的具体作用扔不十分清楚。尽管该酶在细胞内存在的数量较少，但催化脱氧核糖核苷酸掺入脱氧核糖核酸链的速率分别是DNA聚合酶Ⅱ的15倍和30倍。该酶对模板的要求与DNA聚合酶Ⅱ相同，最适模板也是链DNA中间有空隙的单链DNA，单链结合蛋白可以提高该酶催化单链DNA模板的DNA聚合作用。DNApolⅢ也有3'→5'和5'→3'外切酶活性，但是3'→5'外切酶活性的最适底物是单链是DNA，只产生5'-单核苷酸，不会产生二核苷酸，即每次只能从3'端开始切除一个核苷酸。5'→3'外切酶活性也要求有单链DNA为起始作用底物，但一旦开始后，便可作用于双链区。DNA聚合酶Ⅲ是细胞内DNA复制所必需的酶，缺乏该酶的温度突变株在限制温度(non permissive 温度)内是不能生长的，此种突变株的裂解液也不能合DNA，但加入DNA聚合酶Ⅲ则可以恢复其合成DNA的能力。

脱氧核糖核酸聚合酶Ⅲ的组成

亚基                 分子量(×103)                          其它名称

a                            140                                       dnaE蛋白，polC蛋白

ε                             25

θ                             10

τ                              83

γ                             52                                         dnaZ蛋白

δ                             32                                         dnaX蛋白

β                             40                                         dnaN蛋白，copolⅢ

大肠杆菌三种脱氧核糖核酸聚合酶的特性

功能                                      polⅠ     polⅡ      polⅢ

聚合作用5'→3'                       + 　                      +

外切酶活性3'→5'                   +             +            +

外切酶活性5'→3'                   +             +            +

焦磷酸解和焦磷酸交换作用    +             -            +

模板及引物的选择

完整的脱氧核糖核酸双链                      -              -            -

带引物的长单链DNA               +             -           -

带缺口的双链DNA                  +              -           -

双链而有间障的DNA               +             +          +

一般性质

分子量 1                               09KD     120KD    ＞140KD

每细胞中的分子量                 400        17-100   10-20

结构基因                                polA         polB       polC

T4-DNA聚合酶(T4-DNApol)：近年来在枯草芽孢杆菌，鼠伤寒沙门氏杆菌等细胞及噬菌体T4、T5、T7中分离到NDA聚合酶，这里只介绍T4DNA聚合酶。T4DNA聚合酶与大肠杆菌DNA聚合酶Ⅰ相似，也是一条多肽链，分子量亦相近，但氨基酸组成不同，它至少含有15个半胱氨酸残基。但是，它在作用上与大肠杆菌DNApol不同；它无5'→3'外切酶活性；它需要一条有引物的单链DNA作模板。在有缺口的双链脱氧核糖核酸作模板时，需要有基因32蛋白的辅助(基因32蛋白在T4DNA复制中的作用和大肠杆菌单链结合蛋白的作用相似，基因32蛋白在复制叉处和单链DNA结合后可以促进双链的进一步打开，并保持其单链状态有利于新生链的合成);它利用单链DNA为模板进，可同时利用它作为引物，即此单链DNA的3'端能环绕其本身的某一顺序形成氢键联会，3'端的未杂交部分即被T4DNA聚合酶的3'→5'外切酶活性切去，然后在其作用下从3'-OH端开始聚合，合成该模板DNA的互补链，再以互补链为模板合成原来的单链DNA。

真核生物的脱氧核糖核酸聚合酶：真核生物中也具有几种DNA聚合酶，但这些聚合酶都没有3'→5'或5'→3'外切酶活性。其聚合反应机制与原核生物的聚合一样。主要的酶(占总量的80-90%)是DNA聚合酶α，分子量为300KD，含有4个或5个亚基，主要负责染色体DNA的复制。DNA聚合酶β，

分子量为45KD，仅含有一条链，主要作用是修复核内DNA。第三种聚合酶γ，分子量为140KD，存在于线粒体内，负责催化线粒体DNA的复制。最近从兔的骨髓细胞质中分离到一种新的脱氧核糖核酸聚合酶，这种酶与上述真核生物的DNA聚合酶不同，而与原核生物的聚合酶类似，具有3'→5'核酸外切酶活性，称为DNA聚合酶δ。另外，从酵母、原生动物界等低真核生物中分离到一些DNA聚合酶。一般来说，这些低等生物都没有低分子量的DNA聚合酶β，而且与原核生物的DNA聚合酶相似，有3'→5'外切酶活性。

1953年，沃森和弗朗西斯·克里克发表了经典论文，描述DNA的化学结构，而一些科学家对它的重要性提出了最初的质疑。两人在论文中提出，脱氧核糖核酸的复制原理仍有待确定。当时，美国生物化学家阿瑟·科恩伯格正在圣路易斯市的华盛顿大学微生物学系工作，他认可了这篇论文的重要意义。由此，他开始对机体合成核酸的过程产生了兴趣，尤其是合成DNA。他在这些研究中使用的是相对简单的大肠杆菌，1956年，他发现了装配DNA基本单位的酶。这种酶被称为DNA聚合酶Ⅰ，它以几种不同的变体出现在所有的生物体中。罗杰·科恩伯格在论文中描述了这些发现，他的论文起初不免遭拒，但之后于1957年被著名的《生物化学期刊》接受并发表。1959年，因为确定了“脱氧核糖核酸的生物合成机制”，他成为诺贝尔奖的共同获得者之一。

DNA聚合酶Ⅰ(pol Ⅰ)的发现对生物学研究有着非常重要的意义，因为它在生命过程中起着核心作用，令我们认识到DNA如何进行复制与修复。在细胞分裂之前，pol Ⅰ会复制细胞DNA的所有成分。接着，母细胞将其DNA副本传递给每一个子细胞，由此将遗传信息代代相传。罗杰·科恩伯格发现pol Ⅰ能读取完整的DNA链，并以之作为模板合成一条新链，后者与原DNA链完全相同——这个过程和复印机复制文件没什么区别。

不过，复印机在复制文件时是机械性的，它并不在乎文件的内容，与此不同的是，脱氧核糖核酸聚合酶7个子类中的某些成员能够校对原始DNA模板，侦查、移除并改正错误，从而生产出一条无误的新DNA链，这其中就包括DNA聚合酶Ⅰ。其他的DNA聚合酶只能复制不能修复，因此它们能够保留基因组中的突变，或是令细胞死亡。

DNA聚合酶有多种，E.coli就有三种。通常DNA聚合酶具有以下共同特点：

①需要DNA模板，因此这类酶又称为依赖DNA的DNA聚合酶；

②需要核糖核酸或DNA作为引物(primer)，即DNA聚合酶不能从头催化；

③催化dNTP加到引物的3'-OH末端，其速率为1000nt/min，因而DNA合成的方向是5’到3'；

④三种脱氧核糖核酸聚合酶都属于多功能酶，它们在DNA复制和修复过程的不同阶段发挥作用。

大肠杆菌DNA聚合酶DNA聚合酶最早在E.coli中发现，到目前为止已确定有5种类型，分别为DNA聚合酶Ⅰ、DNA聚合酶Ⅱ、DNA聚合酶Ⅲ、DNA聚合酶Ⅳ和DNA聚合酶V，都与DNA链的延长有关。

其中DNA聚合酶I、Ⅱ、Ⅲ研究得比较明确。

DNA聚合酶Ⅰ是1956年由Arthur Komberg在E.coli中首先发现，是一种多功能酶，有三个不同的活性中心：

①5’一3’聚合酶活性催化脱氧核糖核酸链的延伸，主要用于填补DNA上的空隙或是切除核糖核酸引物后留下的空隙；

②3’一5’外切酶活性能识别和切除DNA 3’端在聚合作用中错误联会的核苷酸，起到校读作用；

③5’一3’外切酶活性主要用于切除5’引物或受损伤的DNA。此酶缺陷的突变株仍能生存，表明DNA聚合酶I不是DNA复制的主要聚合酶。

DNA聚合酶Ⅱ是一种多酶复合体，有5’—3’聚合酶活性中心和3’—5 ’外切酶活性中心，但没有5 ’—3’外切酶活性中心。其催化5’—3’方向合成反应的活性只有脱氧核糖核酸聚合酶Ⅰ的5%。因该酶缺陷的E.coli突变株的DNA复制都正常，所以也不是DNA复制的主要聚合酶，可能是在DNA的损伤修复中起到一定的作用。

DNA聚合酶Ⅲ是一种多酶复合体，全酶由α、β、γ、δ、ε、θ、τ、χ和ψ中共10种亚基构成，其中α、ε和θ亚基构成全酶的核心。α亚基含5’—3’聚合酶活性中心，ε亚基含3’一5’外切酶活性中心，θ亚基可能起装配作用，其他亚基各有不同作用。DNA聚合酶Ⅲ活性最高，在DNA复制链的延长上起着主导作用，是催化DNA复制合成的主要酶。

脱氧核糖核酸聚合酶Ⅳ和V发现于1999年，主要参与DNA修复。

真核生物DNA聚合酶真核生物中已发现十几种DNA聚合酶，常见的有α、β、γ、δ和ε五种，均具有5’—3’聚合酶活性。DNAα聚合酶仅负责合成引物，DNAδ聚合酶用于合成细胞核DNA，DNA聚合酶β和DNA聚合酶ε主要参与DNA损伤修复，DNA聚合酶τ用于线粒体DNA的合成。

DNA复制的保真性是遗传信息稳定传代的保证。生物体至少有3种机制实现保真性：

①遵守严格的碱基联会规律；

②5’—3’聚合酶活性中心对底物的选择，使核苷酸的错配率仅为10~10；

③3’—5’外切酶活性中心在复制出错时的即时校对，使错配率降至10~10。

E.coli的脱氧核糖核酸 pol Ⅰ涉及DNA损伤修复，在半保留复制中起辅助的作用。DNA polⅡ在修复损伤中也具有重要的作用。DNA polⅢ是一种多亚基的蛋白质，在DNA新链的从头合成中起复制酶的作用。

复制的忠实性问题会影响到翻译的精确性，这种忠实性主要依赖于碱基的特异性联会。据估计每个碱基对应的将有10个。的概率会发生错配，但实际的错配率只有10~10，即每1000个细菌复制周期中，每个基因组只产生一次错误。DNA多聚酶能增加互补碱基的特异性，该特异性主要表现在以下两方面：

①能够检查进入的碱基是否和模板互补，这时通过一个匹配的化学特点加以识别，这是合成前的一种预防措施，称为合成前( presynthetic)错误控制；

②在新的碱基加到链上以后，检查碱基是否配对。若发生错配，将会把刚加上去的错误碱基切除掉，这是校正控制( proofreading)。

细菌的三种脱氧核糖核酸聚合酶都具有3 7硝’外切活性，逆DNA合成方向进行加工，提供校对功能。在链的延伸阶段中，一个核苷酸进入生长链的末端，形成键，该酶就向前移一个核苷酸碱基对，准备下一个碱基对的进入。若一个错误产生了，这个酶就向回退，切除最后加进来的这个碱基，产生一个位点，然后被正确的碱基取代。

不同DNA多聚酶聚合和校正之间的关系是不同的。有时，这些活性是由相同的蛋白质亚基产生的，但有时它们又还有不同的亚基。一个错误碱基地排除实际上是十分复杂的，因为这种切除反应是由不同位点催化的。