DNA聚合酶是一种酶，通过向延伸中的链添加核苷酸来合成脱氧核糖核酸，通常以已有模板的序列为依据。这个名称并非指一种通用的酶，而是涵盖多个结构和生物学功能各异的蛋白质类群。DNA聚合酶是DNA复制所必需的，也参与DNA修复。其复制遗传物质的能力，也是广泛使用的DNA扩增和测序实验技术的基础。(ncbi.nlm.nih.gov)
发现与分类
1956年，阿瑟·科恩伯格从细菌中分离出一种DNA聚合酶。这种酶后来被称为大肠杆菌DNA聚合酶I，其发现表明，可以利用模板和核苷酸底物，在活细胞之外研究DNA合成。科恩伯格因在核酸生物合成方面的发现，与他人共同获得了1959年诺贝尔生理学或医学奖。后来的研究将聚合酶I与承担大肠杆菌大部分染色体复制工作的酶区分开来。(nobelprize.org)
根据序列的亲缘关系和结构特征，DNA聚合酶可划分为不同家族。主要家族包括A、B、C、D、X和Y家族，此外还有逆转录酶类群。同一家族的成员并不一定具有相同的功能：A家族包括细菌聚合酶I和人类聚合酶γ，B家族则包括人类聚合酶α、δ和ε。细菌聚合酶III属于C家族；一些具有专门功能的聚合酶属于X和Y家族。(polbase.neb.com)
DNA合成机制
常规DNA合成的底物是四种脱氧核苷三磷酸：dATP、dCTP、dGTP和dTTP。延伸链末端的3′羟基与待加入核苷酸的磷酸基团发生反应，形成磷酸二酯键并释放焦磷酸。因此，这种酶沿5′→3′方向延伸DNA，同时沿相反方向读取模板。离子中的金属离子，通常为镁离子，参与催化反应。(nobelprize.org)
大多数DNA聚合酶既需要模板，也需要一条预先存在、带有可供反应的3′羟基的引物；它们不能仅凭游离核苷酸从头合成一条链。细胞复制过程中，引物酶会合成短RNA引物。在实验室反应中，通常由人工合成的DNA引物提供延伸的起始端。在模板指导下的合成过程中，通常在与胸腺嘧啶相对的位置掺入腺嘌呤，在与胞嘧啶相对的位置掺入鸟嘌呤，从而生成互补链。引物延伸不同于RNA聚合酶起始RNA合成的过程。(ncbi.nlm.nih.gov)
复制与持续合成能力
在复制叉处，聚合酶与其他酶和辅助蛋白组成协调运作的复合体。由于两条模板链反向平行，一条子链可以随着复制叉前进而连续合成；另一条子链则以冈崎片段的形式不连续合成，每个片段都需要一条新的引物。引物被去除并由DNA替代后，DNA连接酶会封闭链骨架上剩余的缺口。(ncbi.nlm.nih.gov)
聚合酶的一项关键性质是持续合成能力，即酶与DNA结合一次后能够添加的核苷酸数量。这与催化速度不同，后者描述的是核苷酸掺入的快慢。参与复制的聚合酶通过与辅助蛋白相互作用，尤其是与DNA滑动夹相互作用，获得较高的实际持续合成能力。这种环状组分有助于将聚合酶保持在DNA上，使其能够长距离合成，而不必频繁解离。因此，聚合酶的行为取决于整个复制复合体，而不仅仅取决于分离出来的催化蛋白。(neb.com)
细胞中的主要聚合酶
在大肠杆菌中，聚合酶III承担细菌染色体的大部分复制工作。聚合酶I在引物去除、缺口填补和修复中发挥重要作用。它兼具DNA合成活性和核酸酶活性，因此能够将含RNA的区域替换为DNA。这些功能说明，最早发现的聚合酶并不一定是主要负责复制的酶。(ncbi.nlm.nih.gov)
在真核生物中，聚合酶α与引物酶协同作用，生成RNA–DNA引物，再由其他聚合酶延伸。在正常的细胞核DNA复制过程中，聚合酶ε主要合成前导链，聚合酶δ则主要合成后随链。这种分工反映的是它们与复制装置的相互作用，而不是它们本身能沿不同方向合成DNA：两者都沿5′→3′方向延伸DNA。聚合酶γ负责复制线粒体中的DNA，聚合酶β则参与修复过程中的DNA合成。(ncbi.nlm.nih.gov)
保真性与校对
聚合酶的保真性是指其掺入核苷酸的准确程度。准确合成依赖于对正确和错误底物的区分，其中包括对碱基对几何构型的识别。仅靠互补碱基间的氢键不足以解释酶的选择性。许多参与复制的聚合酶还通过DNA校对提供另一重保障，这一功能由3′→5′外切核酸酶活性介导。在恢复延伸之前，新合成链末端的错配核苷酸可以被去除。校对位点可能位于独立的蛋白质结构域或亚基中。(neb.com)
校对不会改变DNA合成的方向：核苷酸的去除沿3′→5′方向进行，但聚合仍沿5′→3′方向进行。校对也不同于5′→3′核酸酶活性，后者可以辅助引物加工。并非所有聚合酶都具有校对功能。未被初始选择和校对机制排除的错误，随后可能通过DNA错配修复得到纠正；未被纠正的错误则可能成为稳定的突变。(neb.com)
实验室应用
DNA聚合酶是聚合酶链式反应（PCR）的核心组分，该技术通过反复复制来扩增特定的DNA区域。来源于水生栖热菌的Taq DNA聚合酶能够耐受热循环中的高温，但缺乏3′→5′校对活性。具有校对功能的耐热酶可实现保真度更高的扩增。聚合酶也用于DNA测序和DNA标记。实验室使用的酶在热稳定性、保真性、持续合成能力以及底物兼容性方面各有差异，这些性质决定了它们在不同实验体系中的表现。(polbase.neb.com)