当下，以DNA聚合酶为基础的众多生物技术手段不仅成为基础研究的必备之选，同时也服务于医学诊断领域。DNA聚合酶广为人知的应用主要有两大块，分别是PCR扩增和DNA测序。在过去的60年里，新型DNA聚合酶的不断发现和改造，赋予了它如今的广泛应用。当然，对于DNA聚合酶的研究永远没有止境，因为人类的不满足，会驱使他不断地寻找更好的酶来应用于更苛刻的PCR和测序需求，或者是一些还未被发明的应用。
在开始我们故事之前，我们照例先来科普一些DNA聚合酶的基础知识。虽然DNA聚合酶的种类很多，但是他们在结构类型上，都有一些基本的结构域。主要包含掌域、手指域和拇指域，其中手指域掌管dNTP的结合，掌域控制催化dNTP的掺入、拇指域与DNA的持续合成能力有关（图1）。
图1. DNA聚合酶的结构模型
目前根据序列的相似性，DNA聚合酶可被分成7个不同的亚家族：A、B、C、D、E、F和RT（表1）。而决定DNA聚合酶不同功能的主要因素是由拇指与手指域的结构（图2），如同属于A家族DNA聚合酶的Taq DNA聚合酶、T7 DNA聚合酶和Bst聚合酶在耐热性、链置换能力上还有很大的不同。此外一些附加的结构域提供了额外的功能，如3’-5’端外切酶和5’-3’端外切酶活性。
表1. DNA聚合酶家族分类表
|
Family |
Types of DNA polymerase |
Species |
Examples |
|
A |
Replicative and Repair Polymerases |
Eukaryotic and Prokaryotic |
T7 DNA polymerase, Pol I, and DNA Polymerase γ |
|
B |
Replicative and Repair Polymerases |
Eukaryotic and Prokaryotic |
Pol II, Pol B, Pol ζ, Pol α, δ, and ε |
|
C |
Replicative Polymerases |
Prokaryotic |
Pol III |
|
D |
Replicative Polymerases |
Not well-characterized |
|
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X |
Replicative and Repair Polymerases |
Eukaryotic |
Pol β, Pol σ, Pol λ, Pol μ, and Terminal deoxynucleotidyl transferase |
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Y |
Replicative and Repair Polymerases |
Eukaryotic and Prokaryotic |
Pol ι (iota), Pol κ (kappa), Pol η (eta),Pol IV, and Pol V |
|
RT |
Replicative and Repair Polymerases |
Viruses, Retroviruses, and Eukaryotic |
Telomerase, Hepatitis B virus |
图2. 生物技术应用中常见的DNA聚合酶的三维晶体结构图。
如何综合而全面地评价DNA聚合酶的性能？这确实是一个不好回答的问题。根据小编博采众长之后，认为以下指标能够比较全面地概括：热稳定性、延伸速率、持续扩增能力、保真性、特异性、模板损伤耐受性、抑制物抗干扰能力、链置换能力强、核酸酶活性和非天然核苷酸掺入能力。
对于不同的DNA聚合酶的应用，野生型的蛋白显然无法满足需求。此时就需要最聚合酶进行定向进化（directed evolution），常见的策略包括合理的定点突变、融合表达、噬菌体展示筛选以及compartmentalized self-replication（不太好翻译）。
基于DNA聚合酶的重要性，接下来分多个篇幅来讲述目前DNA聚合酶的发展与应用，希望各位看官能够或多或少得到一些有用的信息。
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