什么是DNA聚合酶？
DNA聚合酶的种类很多，它们在细胞中的DNA复制过程中起着重要的作用。DNA聚合酶有DNA聚合酶Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三类。基因工程中很多步骤都需要DNA聚合酶催化DNA体外合成反应，这些酶作用时大多都需要模板，合成产物的序列与模板互补。基因工程常用的DNA聚合酶有：①大肠杆菌聚合酶Ⅰ(全酶)；②大肠杆菌聚合酶Ⅰ大片段(Klenow片段)；③T4噬菌体DNA聚合酶；④T7噬菌体聚合酶及经修饰的T7噬菌体聚合酶(测序酶)，⑤耐热DNA聚合酶(TaqDNA聚合酶)；⑥末端转移酶(末端脱氧核苷酸转移酶，也属DNA聚合酶)；⑦逆转录酶(依赖于RNA的DNA聚合酶)。
DNA聚合酶Ⅰ是基因工程中最常用的工具酶。DNA聚合酶Ⅱ是一条120kD的肽链，催化5′→3′方向合成DNA，也具有3′→5′外切酶活性但没有5′→3′外切酶活性。可能在当细胞DNA受到化学或物理损伤时，DNA聚合酶Ⅱ在修复过程中起特殊作用。DNA聚合酶Ⅲ全酶是一种大于250kD，由多种亚基组成的蛋白质，它是不对称的二聚体，两个亚基可分别同时催化前导链(leadingstrand)及后随链的合成。DNA聚合Ⅲ与DNA聚合酶Ⅰ相同，也具有3′→5′外切酶活性。在DNA聚合作用中，核苷酸添加的错误率达1/1000。由于DNA聚合酶Ⅰ和DNA聚合酶Ⅲ全酶的3′→5′外切酶活性，可以终止核苷酸加入并除去错误核苷酸，然后可继续加入正确的核苷酸，可将错误率减少到百万分之一或更少。
大肠杆菌DNA聚合酶Ⅰ(全酶)：DNA聚合酶Ⅰ的分子量为109kD，是一条约1000个氨基酸残基的多肽链。它具有三种活性：①5′→3′DNA聚合酶活性(能以单链DNA为模板，在3′-OH引物的引导下，按5′→3′方向，合成互补的DNA序列)，②3′→5′外切核酸酶活性(能够去除延长的核酸链上的3′-OH末端上的核苷酸，可以沿3′→5′方向降解双链或单DNA链DNA，释放5′-单核苷酸)，③5′→3′外切核酸酶活性(能从DNA链5′-OH末端降解双螺旋DNA的一条链，沿5′→3′方向，释放出单核苷酸或寡核苷酸)。DNA聚合酶Ⅰ的主要用途：①用切口平移方法标记DNA(可作杂交探针)，②利用其5′→3′外切核酸酶活性降解寡核苷酸作为合成cDNA第二链的引物，③用于对DNA分子的3′突出尾进行末端标记，用于DNA序列分析。
大肠杆菌DNA聚合酶Ⅰ大片断(KLENOW)：KLENOW片断是用枯草杆菌蛋白酶裂解完整的DNA聚合酶Ⅰ产生，或通过克隆技术而获得。此酶是单一多肽链，分子量76kD。它具有5′→3′聚合酶活性和3′→5′外切酶活性，而无5′→3′外切酶活性。Klenow片段的主要用途：①补平限制性内切酶切割DNA产生的3′凹端；②用［32P］dBTP补平3′凹端，对DNA片段进行末端标记；③对带3′突出端的DNA进行末端标记；④在cDNA克隆中，用于合成cDNA第二链；⑤在体外诱变中，用于从单链模板合成双链DNA；⑥应用双脱氧链末端终止法进行DNA测序。
T4噬菌体DNA聚合酶：T4噬菌体DNA聚合酶(分子为114kD)，与Klenow片断相似的是：都具有5′→3′聚合酶活性及3′→5′外切核酸酶活性。其3′→5′外切酶活性对单链DNA的作用比对双链DNA的作用更强。它的外切核酸酶活性比Klenow片段要强200倍。由于它不从单链DNA模板上置换寡核酸引物，因此在体外诱变反应中，它的效率比Klenow片段更强。它的主要用途：①补平或标记限制性内切酶消化DNA后产生的3′凹端，②对带有3′突出端的DNA分子进行末端标记；③标记用作探针的DNA片段。④将双链DNA的末端转化成为平端。⑤使结合于单链DNA模板上的诱变寡核苷酸引物得到延伸。
Ts噬菌体DNA聚合酶及由此改造的测序酶：T7噬菌体感染大肠杆菌诱生的DNA聚合酶，是两种紧密结合的蛋白质的复合体。这两种蛋白质一种是T7噬菌体基因5蛋白，另一种是宿主蛋白的硫氧还原蛋白。该酶是所有已知DNA聚合酶中持续合成能力最强的一个，它所催化合成的DNA的平均长度要比其他DNA聚合酶催化合成的DNA平均长度大得多。它的3′→5′外切核酸酶活性约为Klenow片段的1000倍。它没有5′→3′外切酶核酸酸活性。它的主要用途：①用于拷贝长段模板的引物延伸反应，②通过补平或交换(置换)反应进行快速末端标记。
T7噬菌体聚合酶中基因5蛋白中一个结构区，与大肠杆菌DNA聚合酶Ⅰ的DNA结合处及聚合结构区高度同源。这一结合及聚合结构区包含了该蛋白近羟基端的序列，而其氨其端则具有强有力的3′→5′外切核酸活性。用氧作还原剂把该酶分子与氧及二价铁离子处理可使酶3′→5′外切核酸酶活性灭活而保留其聚合酶活性。改造后的酶的持续合成能力很强，是双脱氧链终止法对长段DNA进行测序的理想用酶。后来由UnitedStatesBiochemical公司以测序酶(sequenase)作为商品名投放市场，现在已通过基因工程手段生产出一种改进的测序酶(2.0版)，它完全丧失了外切核酸酶活性。
耐热DNA聚合酶(TaqDNA聚合酶)：这是一种耐热的依赖DNA的DNA聚合酶(分子量65kD，原是从嗜热的水生菌Thermusaquaticus中纯化来的，现在以基因工程生产并出售(AmpliTaqTM)。这些酶具有依赖于聚合物5′→3′外切核酸酶活性。用途：①用于DNA测序，②用于聚合酶链式反应(PCR)对DNA片段进行体外扩增。
末端转移酶：从动物胸腺和骨髓中提取。此酶催化脱氧核苷酸添加到DNA分别的3′-OH末端上，催化作用不要求有模板，但需Co2+的存在。末端转移酶可作一群DNA分子的3′-OH末端接上寡dA或dC，而给另一群DNA分子的3′-OH末端接上寡dT或dG，混合这两群分子，即可使同聚物尾部退火形成环状分子。用途：①给载体或cDNA加上互补的同聚尾，②用于DNA片段3′末端的放射同位素标记。
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以DNA为复制模板，从将DNA由5'端点开始复制到3'端的酶。
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。
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。
真核细胞
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）。
原核细胞
有3种DNA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。
