RNA聚合酶原核生物只有一种，真核生物有三种

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、Mg^2＋及模板DNA，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。DNA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。

所有原核和真核的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。加什么核苷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。DNA 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。

    复制的忠实性问题会影响到翻译的精确性。这种忠实性主要是依赖于碱基的特异性配对。但估计每个碱基对将有10^－3的机率会发生错配，但实际的错配率只有10^－8~10^－10，即每1000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特异性，选择的特异性主要是两方面的作用。（1）它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，来检查碱基是否配对。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DNA pol都具有3'→5'外切酶活性，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，这酶就向前移一个碱基对，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，为正确的碱基取代。

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亚基产生的，但有时它们又还有不同的亚基。一个错误碱基的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。

(一). DNA聚合酶I的结构

DNA pol Ⅰ是一个多功能的酶，有pol A编码的单个肽链的分子，分子量为103KDa，枯草杆菌蛋白可将其切成两个片段，小片段位于N端，分子量为35KDa，具有5'→3'外切酶活性。大片段位于C端，分子量为68KDa，称为Klenow片段，其C端²/₃区域是含正电荷的直径为2nm的裂缝，具有聚合活性，DNA双链就结合在裂缝中，一旦结合，随即裂缝就关闭起来，此时DNA只能在其中滑动。余下¹/₃ N端区域具有校正的外切酶活性，这两区域间隔3nm。

DNA聚合酶有6个结合位点：(1)模板结合位点；(2)引物结合位点；(3)引物3'－OH结合位点；(4)底物dNTP结合位点；（5）5'→3'外切酶结合位点；(6)3'→5'校正位点。DNA polⅠ在不同的位点执行着不同的功能。

(二). DNA聚合酶Ⅰ的功能

1. 5'→3'聚合功能

DNA polⅠ的聚合活性和其它的DNA聚合酶的特点相同，但主要用于DNA的修复和后滞链中RNA引物的置换。它使用模板的范围较宽，有三种：(1)有引物的ssDNA（无论线状或环状）；(2)有缺口（无论大小）的dsDNA；(3)有切口（nick）的双链DNA。而DNA pol Ⅲ只能利用<100nt缺口的dsDNA作模板。

2. 3'→5'外切活性

DNA polⅠC端有一纵沟，沟底由六个反向平行的β折叠构成，宽约2.0～2.4nm，沟的二侧面由α螺旋构成，深约2.5～3.0nm，可以容纳一条DNA。聚合活性区域在C端，3'→5'外切活性区域在中间部位。在新合成的DNA链中，错误的碱基即使是蒙混过关进入DNA中，但插入的速率很低，同时也不能形成正确的氢键，使双螺旋发生形变，直径加大，DNA不再能在沟中向前滑动，只有倒退，错误碱基正在位于3'→5'外切活性功能域，它激发了此区3'→5'外切活性，将其切除，转换成游离的dNMP，“障碍”排除后，DNA继续向前移动，合成新链。

3. 5'→3'外切活性

此是由35KDa小片段执行的5'→3'外切功能，切除小片段DNA，一次切除10碱基。此是和合成、校正活性相一致的。这种活性为DNA polⅠ提供了在有缺刻的DNA上开始体外复制的能力，在磷酸二酯键断裂处，此酶可以延伸3'－OH，从而可以进行(1)切口平移（nick translation）；(2)链的置换；(3)模板转换（template-switching）。由于DNA polⅠ既具有5'→3'的聚合活性，又有5'→3'的外切活性，所以它可以一边从缺口的5'－P开始行使外切功能降解DNA，同时从缺口的3'－OH开始合成新链，填补缺口，使“缺口”像是从5'→3'不断在移动，反应停止后留下的缺刻由连接酶来封闭。这一功能常出现在DNA损伤修复、21后滞链中引物的切除。在体外也常用来作为DNA标记的一种途径。当控制酶的反应条件使其5'→3'外切活性消失或者用Klenow酶在具有缺口的双链DNA模板上合成时，因它们已不具外切活性，因此产生了链的取代和模板转移。链的置换被认为是重组机制中的重要一环。在E.coli中只有DNA polⅠ具有独立的链置换能力。在其它蛋白质的帮助下，前导链可进行链的置换（置换了互补链），但后滞链中无此现象。模板转换未发现生物学意义。

4. 内切酶活性

当DNA存在不配对碱基时，DNA polⅠ具有内切酶活性，在不配对碱基的5'－P端的后面切开磷酸二酯键，主要存在于切除修复系统中，在正常复制中无此活性。

(二)DNA多聚酶Ⅲ的结构

DNA pol Ⅲ具有5'→3'聚合功能，但模板的要求很高，仅有缺口<100b的dsDNA才可做模板。3'→5'的外切活性和DNA polⅠ相同，有校对的功能。但5'→3'的外切活性不同，仅可以单链为底物，因此不能进行缺口平移。DNA pol Ⅲ是合成DNA的“主角”，一般合成长片段，如前导链的合成和冈崎片段的合成。

现在对DNA pol Ⅲ有了进一步的了解。它的结构和半不连续复制的机制是相吻合的。其“核心酶”含有α，ε和θ三个亚基。α亚基具有合成DNA的能力，ε亚基具有3'→5'外切酶的功能，起到校正的作用。而θ亚基可能在组装中发挥功能。但核心酶的进行性是低的，通常使合成11个碱基左右就从模板上解离下来。

σ亚基加到核心酶上有助于使其二聚化，进一步产生pol III^※，γ复合体加入到pol Ⅲ^※，进一步形成pol Ⅲ'复合体。γ复合体是由γ，δ，δ′，χ和ψ亚基组成，其作用是固定β亚基这个“夹子”的支架。β亚基加盟后就形成DNA pol Ⅲ全酶。这是一种不完全对称的结构，左侧负责前导链的合成，右侧负责后滞链的合成。

全酶在DNA上的装配分为三个阶段：（1）一个β二聚体加上一个γ复合体识别引物模板形成一种前起始复合物。在此反应中，γ复合体水解ATP并将β亚基转运到引发模板上。一对β亚基形成一个“夹子”，夹在DNA的后滞链上，γ复合体成为这种“夹子的支架”，它负责水解ATP，移动β亚基结合DNA；（2）DNA在于β,γ复合体结合的位点构象发生改变，而对核心酶产生了高亲和性。使核心酶能与DNA结合。（3）τ二聚体结合核心聚合酶，使其二聚化，也就是与另一个核心聚合酶结合，第二个核心酶又和另一个β“夹子”结合，这样装配好了全酶。值得注意的是全酶只有一个γ复合体。