乳球菌噬菌体1706新颖复合型DNA聚合酶的功能研究

As the most important molecule for the accurate transmission of genetic information and a pivot reagent in molecular biotechnology, DNA polymerase has always been a focus in molecular biology research. In this project, we targeted a novel complex DNA polymerase from Lactococcal phage 1706 (Lac1706 Pol) which is distinct from all known DNA polymerases. It contains a family B DNA polymerase (PolB) domain, a helicase domain and an Archaeo-Eukaryotic primase (AEP) domain in a single polypeptide, indicating that the enzyme may harbor all three core activities of a replisome which usually consists of multiple enzymes. In this project, we will systematically study the catalytic properties of the DNA polymerase, the synergistic interaction between the various domains, and the structural basis of the catalytic function of the DNA polymerase through biochemical experiments combined with radioisotope labeling techniques and protein crystal structure analysis. The goal of this project is to provide a comprehensive and in-depth understanding of the catalytic function of this novel DNA polymerase, to establish a novel coordinated DNA replication model, to improve the understanding of DNA replication mechanism and evolution, and to prepare for the potential application of the enzyme.

DNA聚合酶作为遗传信息准确传递的最重要分子和分子生物技术的核心工具，一直是分子生物学研究的热点。本项目的研究对象来自于乳球菌噬菌体1706（Lactococcal phage 1706）的DNA聚合酶（简称Lac1706 Pol），这是一个与所有已知DNA聚合酶均不相同的新颖复合型DNA聚合酶。Lac1706 Pol除了含有一个B类DNA聚合酶结构域外，还含有一个解旋酶结构域和一个古菌真核引发酶结构域，暗示该酶单一多肽可能同时具有DNA聚合酶、解旋酶以及引发酶这三种DNA复制体核心活性。本项目将通过生化实验结合放射性同位素标记技术以及蛋白晶体结构解析来系统研究该DNA聚合酶的各项催化特性、各结构域之间的协同互作以及该DNA聚合酶催化功能的结构基础，以期全面深入了解该DNA聚合酶的催化功能，建立新型DNA复制模型，促进对DNA复制机制与进化的认知，同时为该酶的潜在应用奠定理论基础。

DNA半保留复制是生命体遗传信息准确传递的关键过程。该复制过程主要由DNA聚合酶来完成，然而由于DNA聚合酶一般不能从头合成DNA，因此DNA复制的起始需要由引发酶合成一段RNA/DNA引物来启动。噬菌体是整个地球上数量最为庞大、种类最为多样的生命体，而具有特殊性或者“反常”的DNA聚合酶往往存在于这些生命体中。本项目研究从乳球菌噬菌体1706中鉴定到一种新型多功能聚合酶（GP55）。通过各种生化实验，申请人证实该聚合酶是一种高效、高保真的DNA聚合酶，同时该酶又是一种特异性引发酶，可以合成一段RNA引物。这是自然界首次发现的同时具有高效的DNA聚合酶活性以及引发酶活性的复制酶。该酶的发现进一步拓展了我们对生命体复制DNA的认识，同时该酶也有可能带来新的核酸生物技术，例如基因组无引物扩增。