• Keine Ergebnisse gefunden

2) DNA polymerases  2.1) General 

The survival and development of each organism relies on the equal distribution of its  genome during cell division. Errors in this process can lead to severe developmental defects,  cancer, or even death.15‐17 DNA polymerases are key enzymes to pass the exact genomic  information down generations. Over 50 years ago, Kornberg et al. discovered in E. coli the  first  enzyme  (DNA polymerase I  or  Kornberg‐Polymerase),  that  catalyses  the  accurate  replication of DNA.18,19 Since this and other pioneering discoveries, it was assumed for a long  period of time, that only six “classical” DNA polymerases (pol  α,  β,  γ,  δ,  ε, and terminal  deoxynucleotidyl transferase (TdT)) are responsible for DNA replication and repair in all  mammalian cells.15,17,20,21

 For that reasons, the discovery of several “novel” specialized DNA  polymerases was a real sensation in the last decades.15,20,22 So far, at least 15 different human  DNA polymerases are known.15,17,20,22

 All enzymes share a common 3D‐structure, that is  reminiscent of a right hand, and can be subdivided into a finger‐, thumb‐ and a highly  conserved palm domain (see also Figure 4).17,20,23,24 With regard to their sequence homology  and structural similarity, the 15 enzymes have been subdivided into six DNA polymerase  families A, B, C, D, X, and Y (Table 1).20,25,26 

The  basic functions of  the six “classical” DNA polymerases have been elucidated from  catalytic properties, and observation of cell physiology. Pol α catalyses the initiation of  chromosomal DNA replication at origins of replication and at Okazaki fragments on the  lagging‐strand,27,28 pol β is  involved  in  base  excision  repair  (BER),29‐31  pol γ  synthesizes  mitochondrial DNA,32 pol δ has a role in lagging‐strand synthesis,33,34 pol ε participates in the  synthesis of the leading‐strand of chromosomal DNA,35 and TdT facilitates antigen receptor  diversity36.15,20 

In the course of these and other cellular processes or by environmental conditions, DNA  mutations and  damages occur.16 To  maintain  the  genetic integrity of  the  genome,  an  elaborate set of sophisticated repair mechanisms have evolved. The set includes, amongst  others, the “novel” specialized DNA polymerases (pol η, θ, κ, λ, μ, ν, ι, ζ, and REV1).15‐17,20,37

  Features of some of these enzymes are known (Table 1), but to understand in depth the task  of a particular enzyme stills await clarification in the majority of the cases. For that reason,  there is a great demand for appropriate methods and reagents (e.g. small‐molecule probes)  to dissect the cellular functions of DNA polymerases. 

 

Table 1. Human DNA polymerases  

DNA polymerase  Gene   Protein size (kDa)  Family  Main Function 

pol α (alpha)  POLA1  166  DNA replication priming 

pol β (beta)b  POLB  38  DNA repair 

pol γ (gamma)  POLG1  140  Mitochondrial DNA replication and repair  pol δ (delta)  POLD1  124  DNA replication (lagging‐strand) 

pol ε (epsilon)  POLE  262  DNA replication (leading‐strand)  TdT  DNTT  58  DNA repair, V(D)J recombination 

pol η (eta)  POLH  78  Bypass synthesis (inserter) 

pol ι (iota)  POLI  80  Bypass synthesis (inserter) 

pol κ (kappa)  POLK  99  Bypass synthesis (inserter/extender)  pol λ (lambda)b  POLL  63  DNA repair, V(D)J recombination 

pol μ (mu)  POLM  55  DNA repair, V(D)J recombination 

pol θ (theta)  POLQ  290  DNA repair 

pol ζ (zeta)  POLZ  353  Bypass synthesis (extender) 

REV 1  REV1  138  Bypass synthesis (inserter) 

pol ν (nu)  POLN  100  DNA repair 

a table was adapted from literature 15,17,20

b see also chapter 2.3) 

   

2.2) DNA polymerases and the polymerisation reaction 

All  previously  discovered  DNA  polymerases share  a  common,  over  several steps  well‐

coordinated reaction mechanism (Figure 2) for the synthesis of the helical DNA polymer  (composed of a sugar phosphate backbone, to which the four heterocyclic bases adenine (A),  guanine (G), thymine (T), and cytosine (C) are attached38) (Figure 3).38‐42  

 

E:DNAn

E

E:DNAn:dNTP

E*:DNAn:dNTP

E*:DNAn+1:PPi

Figure 2. Mechanism of DNA polymerase catalyzed nucleotide incorporation. After binding of a DNA primer  template complex (DNAn), the DNA polymerase (E) binds an incoming dNTP that is afterwards tightly bound  and arranged for the chemical step by a conformational change of the enzyme (E*). After bond formation and  an other conformational change, pyrophosphate (PPi) is released to start another cycle of catalysis. Figure was  adapted from literature 41‐43

 

Figure 3. Enzymatic DNA polymerization. (A) Schematic representation of template directed DNA synthesis  catalyzed by DNA polymerase. (B) Schematic representation of the corresponding trigonal bipyramidal  transition state in the active site of DNA polymerase (template not shown). Figure was adapted from  literature 24,44

 

DNA replication proceeds semiconservative. In doing so, DNA polymerases use one DNA  parent strand as a template for synthesis of the exact complementary replica.18,20,45 During  the  synthesis,  the  single‐stranded  template  dictates  to  the  enzyme  according  to  

Watson‐Crick38,  in  which  sequence  the  four  native  2´‐deoxynucleoside‐5`‐triphosphates  (dNTPs) have to be connected to the 3`‐OH end of the hybridized primer. Thereby, the primer  is always extended in the 5` to 3` direction (Figure 3A).20,42 

From a chemical point of view, the addition of a dNTP to the primer is performed according  to the mechanism of nucleophilic substitution (SN2). In the active site of the enzyme, the  trigonal bipyramidal transition state is stabilized by two metal ions, e.g. magnesium (II) ions. 

For that reason, the reaction mechanism is also called the “two metal ion mechanism” 

(Figure 3B).24 The SN2 reaction is accompanied by pyrophosphate release. Its subsequent  hydrolysis favors DNA synthesis and prevents the reverse reaction. According to the latest  findings, the rate limiting step of the reaction is a local reorganization step in the active site  of the enzyme.46 Nevertheless, the velocity of the polymerisation (kpol) of correct paired  nucleotides achieves 1000 dNTP s‐1, and the catalytic efficiency (Kkpol‐1) is in the region of  diffusion control (~107 M‐1 s‐1).41,42 Due  to this facts, DNA polymerases belong to most  powerful enzymes.47  

 

2.3) DNA polymerase λ and β 

Most of the work presented herein covers the “classical” pol β31,32,48 and  the recently  discovered “novel” pol λ49. Both nonreplicative human enzymes are members of the DNA  polymerase X‐family (Table 1).15,17,20,22,37

 The exonuclease‐deficient pol λ (64 kDa) contains all  the structural features required for DNA binding, nucleotide binding and selection, and  catalysis of DNA polymerization, which are conserved in pol β (39 kDa) ‐ the smallest known  human DNA polymerase (Table 1). On this account, the primary sequence and the 3D‐

structure of the catalytic core of both DNA polymerase are highly homologous (Figure 4).49,50  Because of its ability to remove the 5`‐deoxyribose phosphate (dRP) generated after incision  by an abasic (AP) endonuclease (dRP‐lyase activity) and its DNA synthesis specificity for short  gaps, pol β is the prime DNA polymerase participating in BER (Figure 5).15,17,20,30,37,51

 In  addition, pol β is able to associate with other downstream enzymes of the BER pathway like  DNA ligase I, AP endonuclease, and XRCC1‐DNA ligase III.30,37 Extensive studies show that  pol β bypasses several DNA lesions via translesion synthesis (TLS), for example, AP sites52 and  cisplatin adducts53.  

 

 

Figure 4. Family X DNA polymerase λ and β. (A) Schematic representation of pol β (red) and pol λ (green). Pol λ  consists of nuclear localization signal (NLS), a BRCA1‐C terminal (BRCT) domain (residues 36‐132), a proline‐

rich region (residues 133‐243), and pol β‐like catalytic core region (residues 244‐575), with helix‐hairpin‐

helix (HhH) and DNA polymerase motif.49 (B) Superimposition of the pol β‐like catalytic core region  (residues 244‐575) of pol λ (green) and pol β (red). PDB IDs 2PFN and 2FMP (shown without DNA). 

 

Pol λ, the other DNA polymerase of interest, is unique in possessing all the enzymatic  activities which are individually present in the other X‐family members.20 Pol λ is capable of  synthesizing DNA de novo as well as template‐dependent, and displays dRP‐lyase and TdT  activity.54‐60 It is implicated that pol  λ is involved in gap filling during nonhomologous end  joining36,61,62, TLS52,63,64, and BER54,65,66

Moreover, studies with chicken DT40 cells67, as well as mammalian fibroblasts68, showed that  pol  λ has a backup role for pol β in BER. Experiments with reactive oxygen species (ROS)  indicate that pol λ protects cells from oxidative damage66,69, and there is also evidence that  pol λ is required for cell cycle progression and is functionally connected to the S phase DNA  damage response machinery in cancer cells.69 

 

 

Figure 5. Schematic representation of BER imbalance by targeting pol β. BER is a highly coordinated, multistep  pathway, that removes a damaged DNA base and replaces it with the correct base. The genotoxic TMZ induce  the formation of a base damage (e.g. 3‐methyladenine (3meA)), which is excised by DNA glycosylase (AAG) to  produce an apurinic site (AP). Afterwards, an AP endonuclease (APE) incises the DNA backbone (5´ to the AP  site) and generates single‐strand break. Then, pol  β removes the 5´‐dRP moiety through its intrinsic lyase  activity and fills in the resulting gap. In the final step, the nick is sealed by DNA ligase (LIG) to finish base  excision repair (BER). If BER is inhibited, or downstream steps of BER are limiting, then toxic intermediates  accumulate and can lead to cell death. In this way, the dosage of the DNA‐damaging agent can be reduced. 

Figure was adapted from literature 16,70

 

It is well known that aberrant levels of specialized DNA polymerases might cause genomic  instability.15,20,71  A  recent  investigation  of  the  expression  patterns  of  specialized  DNA  polymerases in 68 different tumor samples revealed that in more than 45% of these tumors  at least one specialized DNA polymerase was two‐fold‐enhanced expressed. Of particular  interest was the fact that over 30% of all samples had either pol λ or  β overexpressed.72  Consequently, the regulation of both DNA polymerases could be crucial in cancer treatment,  since many chemotherapeutic regimes in use  depend at  least in part  on  the artificial  induction of DNA damage. If effective, their utility is typically limited by the severity of side  effects caused by the nonselective targeting of cancerous and healthy tissue in addition to  the  potential  to  induce  mutagenic  events  that  can  actually  accelerate  disease 

development.41,70,73 The clinical efficacy of anticancer drugs like cisplatin and monofunctional  alkylating  agents  (e.g.  temozolomid  (TMZ))  is  often  reduced  by  cellular  DNA  repair  mechanisms.15‐17,20,37,51,70

  Consequently,  both  enzymes  specialized  for  DNA  repair  are  discussed as promising future drug targets, to reduce the dosage of DNA‐damaging agents  while  improving  their  activity  via  targeting  of  their  respective  repair  pathways  (Figure 5).15,17,20,37,51,70,74

  To  date,  several  inhibitors  of  DNA  polymerase λ  and  β  were  developed  and  investigated  (see  also  chapter 4.4.4).37,51,74‐79

  However,  one  remaining  challenge is still to find novel potent small molecule inhibitors that selectively inhibit one of  these enzymes. In addition, a discriminating inhibitor could facilitate the targeting of one of  these DNA polymerases over the other, to probe the enzymes’ respective cellular functions.  

 

2.4) Herpes virus DNA polymerase 

Viral infections are the leading cause of many critical illnesses. Without exception, all viruses  are obligate, intracellular molecular parasites that replicate only inside the cell of a living  organism.80,81 For the reproduction of the viral genome, viruses often encode an own DNA  polymerase.20 Due to the importance of these enzymes for the amplification of the genetic  code, viral DNA polymerases are established targets for current chemotherapies.41,81 These  facts are also relevant for the family of the Herpes viruses (see also chapter 5.1), which  reproduce their genetic code with their own DNA‐dependent DNA polymerase in the nucleus  of  a  host  cell.  Among  the  nine  representatives  of  the  morphologically  very  similar  Herpesviridae, herpes simplex virus‐1 (HSV‐1) is the most researched member.20 For that  reason, the HSV‐1 DNA polymerase serves herein as model enzyme, which is illustrated  briefly. After the HSV‐1 infection of mammalian cells, Keir et al. discovered in 1966 for the  first time DNA polymerase activities that deviated from the features of host enzymes.82 Later,  Weissbach et al. purified and characterized a viral DNA polymerase with a high molecular  weight (180 kDa) from HSV‐1 infected human cells.83 It was found, that the enzyme favoured 

‐ very likely due to the composition of the HSV genome (67% GC content)20 ‐ the synthesis of 

GC rich DNA.83 Today, the 3D‐structur of the HSV‐1 DNA polymerase is known. The enzyme is  a heterodimer, composed of a catalytic subunit (UL30), whose structure is similar to B‐family  DNA polymerase structures, and a processivity factor (UL42) that increases the fidelity.84‐86  The catalytic subunit consists of six domains. The N‐terminal part contains a pre‐N‐terminal, 

an N‐terminal, and an exonuclease domain, that ensures a high fidelity of DNA replication as  well as an RNase H activity.20,87 The C‐terminal part adopts the usual right hand folding in  palm, fingers and thump domains.85 Based on sequence alignments, the replicative HSV DNA  polymerase (UL30) belongs to the B‐family of DNA polymerases (see also chapter 2.1).20   

3) DNA polymerases as drug targets