ДНК-лигаза - DNA ligase

ДНК-лигаза
DNA Repair.jpg
Художественная концепция ДНК-лигазы, восстанавливающей хромосомные повреждения
Идентификаторы
Номер ЕС6.5.1.1
Количество CAS9015-85-4
Базы данных
IntEnzПросмотр IntEnz
БРЕНДАBRENDA запись
ExPASyПросмотр NiceZyme
КЕГГЗапись в KEGG
MetaCycметаболический путь
ПРИАМпрофиль
PDB структурыRCSB PDB PDBe PDBsum
Генная онтологияAmiGO / QuickGO
лигаза I, ДНК, АТФ-зависимая
ДНК-лигаза.jpg
Идентификаторы
СимволLIG1
Ген NCBI3978
HGNC6598
OMIM126391
RefSeqNM_000234
UniProtP18858
Прочие данные
LocusChr. 19 [1]
лигаза III, ДНК, АТФ-зависимая
Идентификаторы
СимволLIG3
Ген NCBI3980
HGNC6600
OMIM600940
RefSeqNM_002311
UniProtP49916
Прочие данные
LocusChr. 17 q11.2-q12

ДНК-лигаза это особый тип фермента, лигаза, (EC 6.5.1.1 ), что облегчает объединение ДНК прядей вместе, катализируя образование фосфодиэфирная связь. Он играет роль в ремонте одноцепочечных разрывов в дуплексе. ДНК в живых организмах, но некоторые формы (например, ДНК-лигаза IV ) может специально восстанавливать двухцепочечные разрывы (т.е. дополнительный нити ДНК). Одноцепочечные разрывы репарируются ДНК-лигазой с использованием комплементарной цепи двойной спирали в качестве матрицы,[1] с ДНК-лигазой, создающей последнюю фосфодиэфирную связь для полного восстановления ДНК.

ДНК-лигаза используется как в Ремонт ДНК и Репликация ДНК (видеть Лигазы млекопитающих ). Кроме того, ДНК-лигаза широко используется в молекулярная биология лаборатории для рекомбинантная ДНК эксперименты (см. Приложения для исследований ). Очищенная ДНК-лигаза используется при клонировании генов для соединения молекул ДНК с образованием рекомбинантная ДНК.

Ферментативный механизм

Изображение демонстрирует, как лигаза (желтый овал) катализирует две цепи фрагментов ДНК. Лигаза соединяет два фрагмента ДНК с образованием более длинной цепи ДНК, «склеивая» их вместе.

Механизм ДНК-лигазы заключается в образовании двух ковалентный фосфодиэфирные связи между 3 'гидроксильные концы одного нуклеотид («акцептор»), с 5 'фосфатный конец другого («донора»). На каждую образованную фосфодиэфирную связь расходуются две молекулы АТФ. АМФ необходим для лигазной реакции, которая проходит в четыре этапа:

  1. Реорганизация сайта активности, например, разрывов в сегментах ДНК или фрагментах Окадзаки и т. Д.
  2. Аденилилирование (добавление AMP) лизин остаток в активном центре фермента, пирофосфат выпущен;
  3. Перенос АМФ на 5'-фосфат так называемого донора, образование пирофосфатной связи;
  4. Образование фосфодиэфирной связи между 5'-фосфатом донора и 3'-гидроксилом акцептора.[2]
Наглядный пример того, как работает лигаза (с липкие концы )

Ligase также будет работать с тупые концы, хотя требуются более высокие концентрации фермента и другие условия реакции.

Типы

Кишечная палочка

В Кишечная палочка ДНК-лигаза кодируется lig ген. ДНК-лигаза в Кишечная палочка, как и большинство прокариот, использует энергию, полученную при расщеплении никотинамид аденин динуклеотид (НАД) для создания фосфодиэфирной связи.[3] Он не связывает ДНК с тупыми концами, за исключением условий молекулярного скучивания с полиэтиленгликоль, и не может эффективно соединять РНК с ДНК.

Активность ДНК-лигазы E. coli может быть усилена ДНК-полимераза при правильных концентрациях. Улучшение работает только тогда, когда концентрации ДНК-полимеразы 1 намного ниже, чем у фрагментов ДНК, которые нужно лигировать. Повышение концентрации ДНК-полимеразы Pol I отрицательно влияет на ДНК-лигазу E. coli.[4]

Т4

ДНК-лигаза из бактериофаг Т4 (а бактериофаг что заражает кишечная палочка бактерии). Лигаза Т4 наиболее часто используется в лабораторных исследованиях.[5] Может лигировать связные или тупые концы ДНК, олигонуклеотидов, а также гибридов РНК и РНК-ДНК, но не одноцепочечных нуклеиновых кислот. Он также может лигировать ДНК с тупым концом с гораздо большей эффективностью, чем Кишечная палочка ДНК-лигаза. В отличие от Кишечная палочка ДНК-лигаза, ДНК-лигаза Т4 не может использовать НАД, и ей абсолютно необходим АТФ в качестве кофактора. Для улучшения in vitro активность ДНК-лигазы Т4; один успешный подход, например, тестировал ДНК-лигазу Т4, слитую с несколькими альтернативными ДНК-связывающими белками, и обнаружил, что конструкции с p50 или NF-kB поскольку партнеры слияния были более чем на 160% более активны в лигировании тупых концов для целей клонирования, чем ДНК-лигаза Т4 дикого типа.[6] Типичная реакция для вставки фрагмента в плазмидный вектор будет использовать от 0,01 (липкие концы) до 1 (тупые концы) единиц лигазы. Оптимальная температура инкубации для ДНК-лигазы Т4 составляет 16 ° C.

Бактериофаг Т4 лигаза мутанты имеют повышенную чувствительность к обоим УФ облучение[7][8] и алкилирующий агент метилметансульфонат[9] что указывает на то, что ДНК-лигаза используется в ремонт из Повреждения ДНК вызванные этими агентами.

Млекопитающее

У млекопитающих существует четыре конкретных типа лигазы.

  1. ДНК-лигаза I: лигирует зарождающуюся ДНК отстающая нить после Рибонуклеаза H удалил праймер РНК из Фрагменты Окадзаки.
  2. ДНК лигаза III: комплексы с Ремонт ДНК белок XRCC1 чтобы помочь запечатать ДНК в процессе эксцизионная репарация нуклеотидов и рекомбинантные фрагменты. Из всех известных ДНК-лигаз млекопитающих только Lig III присутствует в митохондриях.
  3. ДНК-лигаза IV: комплексы с XRCC4. Это катализирует последний шаг в негомологичное соединение концов Путь репарации двухцепочечных разрывов ДНК. Это также необходимо для V (D) J рекомбинация, процесс, который порождает разнообразие в иммуноглобулин и Рецептор Т-клеток локусы во время иммунная система разработка.
  • ДНК-лигаза II: по-видимому, используется для восстановления. Он образуется путем альтернативного сплайсинга протеолитического фрагмента ДНК-лигазы III и не имеет собственного гена, поэтому часто считается практически идентичным ДНК-лигазе III.

ДНК-лигаза из эукариоты и некоторые микробы используют аденозинтрифосфат (АТФ), а не НАД.[3]

Термостабильный

Полученный из термофильных бактерий, фермент стабилен и активен при гораздо более высоких температурах, чем обычные ДНК-лигазы. Его период полураспада составляет 48 часов при 65 ° C и более 1 часа при 95 ° C. Было показано, что амплигаза ДНК-лигаза активна по крайней мере в течение 500 термических циклов (94 ° C / 80 ° C) или 16 часов цикла.10 Эта исключительная термостабильность обеспечивает чрезвычайно высокую строгость гибридизации и специфичность лигирования.[10]

Измерение активности

Для измерения активности ДНК-лигазы используются как минимум три различных единицы:[11]

  • Единица Вайса - количество лигазы, катализирующее обмен 1 нмоля 32P из неорганического пирофосфат до АТФ за 20 минут при 37°C. Это наиболее часто используемый.
  • Блок Модрич-Лемана - это редко используется, и одна единица определяется как количество фермента, необходимое для преобразования 100 нмоль d (A-T)п к форме, устойчивой к экзонуклеазе-III, за 30 минут при стандартных условиях.
  • Многие коммерческие поставщики лигаз используют произвольную единицу, основанную на способности лигазы лигировать липкие концы. Эти единицы часто более субъективны, чем количественные, и им не хватает точности.

Приложения для исследований

Основная статья: Лигирование (молекулярная биология)

ДНК-лигазы стали незаменимыми инструментами в современных исследованиях молекулярной биологии для создания рекомбинантная ДНК последовательности. Например, ДНК-лигазы используются с рестрикционные ферменты вставлять фрагменты ДНК, часто гены, в плазмиды.

Контроль оптимальной температуры является жизненно важным аспектом проведения эффективных экспериментов по рекомбинации, включающих лигирование фрагментов с липкими концами. В большинстве экспериментов используют ДНК-лигазу Т4 (выделенную из бактериофаг Т4 ), наиболее активный при 37 ° C.[12] Однако для оптимальной эффективности лигирования с фрагментами с липкими концами («липкими концами») оптимальная температура фермента должна быть сбалансирована с температура плавления Тм лигируемых липких концов,[13] то гомологичное спаривание липких концов не будет стабильным, потому что высокая температура нарушает водородная связь. Реакция лигирования наиболее эффективна, когда липкие концы уже стабильно отожжены, и, следовательно, разрушение концов отжига приведет к низкой эффективности лигирования. Чем короче нависать, чем ниже Tм.

Поскольку фрагменты ДНК с тупыми концами не имеют когезионных концов для отжига, температура плавления не является фактором, который следует учитывать в пределах нормального диапазона температур реакции лигирования. Ограничивающим фактором при лигировании тупых концов является не активность лигазы, а, скорее, количество выравниваний между концами фрагментов ДНК, которые происходят. Следовательно, наиболее эффективной температурой лигирования для ДНК с тупыми концами будет температура, при которой может произойти наибольшее количество выравниваний. Большинство перевязок с тупыми концами проводят в течение ночи при 14-25 ° C. Отсутствие стабильно отожженных концов также означает, что эффективность лигирования снижается, что требует использования более высокой концентрации лигазы.[13]

Новое использование ДНК-лигазы можно увидеть в области нанохимии, особенно в ДНК-оригами. Принципы самосборки на основе ДНК доказали свою полезность для организации наноразмерных объектов, таких как биомолекулы, наномашины, наноэлектронные и фотонные компоненты. Сборка такой наноструктуры требует создания сложной сети молекул ДНК. Хотя самосборка ДНК возможна без какой-либо посторонней помощи с использованием различных субстратов, таких как обеспечение кататонической поверхности алюминиевой фольги, ДНК-лигаза может обеспечить ферментативную помощь, которая требуется для создания решетчатой ​​структуры ДНК из ДНК поверх подвешивания.[14]

История

Первая ДНК-лигаза была очищена и охарактеризована в 1967 в лабораториях Геллерт, Леман, Ричардсон и Гурвиц.[15] Впервые он был очищен и охарактеризован Вейссом и Ричардсоном с использованием шестиступенчатого процесса хроматографического фракционирования, начинающегося с удаления клеточного дебриса и добавления стрептомицина, с последующими промывками колонки с несколькими диэтиламиноэтил (DEAE) -целлюлозой и заключительным фракционированием фосфоцеллюлозы. Конечный экстракт содержал 10% активности, первоначально зарегистрированной вКишечная палочкасредства массовой информации; В ходе этого процесса было обнаружено, что АТФ и Mg ++ необходимы для оптимизации реакции. Обычные коммерчески доступные ДНК-лигазы были первоначально обнаружены в бактериофаг Т4, Кишечная палочка и другие бактерии.[16]

Расстройства

Генетические недостатки ДНК-лигаз человека связаны с клиническими синдромами, характеризующимися иммунодефицитом, радиационной чувствительностью и аномалиями развития.[15] Синдром LIG4 (Синдром лигазы IV) - редкое заболевание, связанное с мутациями в ДНК-лигазе 4 и нарушающее механизмы репарации разрывов дцДНК. Синдром лигазы IV вызывает иммунодефицит у людей и обычно связан с микроцефалией и гипоплазией костного мозга.[17] Список распространенных заболеваний, вызванных отсутствием или неправильным функционированием ДНК-лигазы, выглядит следующим образом.

Пигментная ксеродермия

Пигментная ксеродермия, известная как ХР, является наследственным заболеванием, характеризующимся крайней чувствительностью к ультрафиолетовым (УФ) лучам солнечного света. Это заболевание чаще всего поражает глаза и участки кожи, подверженные воздействию солнца. У некоторых больных также есть проблемы, связанные с нервной системой.[18]

Атаксия-телеангиэктазия

Мутации в гене ATM вызываютатаксия – телеангиэктазия. Ген ATM предоставляет инструкции по созданию белка, который помогает контролировать деление клеток и участвует в репарации ДНК. Этот белок играет важную роль в нормальном развитии и деятельности нескольких систем организма, включая нервную систему и иммунную систему. Белок ATM помогает клеткам распознавать поврежденные или разорванные цепи ДНК и координирует восстановление ДНК, активируя ферменты, которые фиксируют разорванные цепи. Эффективное восстановление поврежденных цепей ДНК помогает поддерживать стабильность генетической информации клетки. У больных детей обычно возникают трудности с ходьбой, проблемы с равновесием и координацией рук, непроизвольные рывки (хорея), мышечные подергивания (миоклонус) и нарушения функции нервов (невропатия). Проблемы с движением обычно заставляют людей в подростковом возрасте нуждаться в помощи инвалидной коляски. Люди с этим расстройством также имеют невнятную речь и затрудняют движение глазами, чтобы смотреть из стороны в сторону (глазодвигательная апраксия).[19]

Анемия Фанкони

Анемия Фанкони (FA) - редкое наследственное заболевание крови, которое приводит к отказу костного мозга. ФА не позволяет костному мозгу производить достаточно новых клеток крови для нормальной работы организма. FA также может заставить костный мозг производить много дефектных клеток крови. Это может привести к серьезным проблемам со здоровьем, таким как: лейкемия.[20]

Синдром Блума

Синдром Блума приводит к появлению кожи, чувствительной к воздействию солнца, и обычно к образованию покрасневшего пятна в форме бабочки на носу и щеках. Кожная сыпь также может появиться на других участках, которые обычно подвергаются солнечному воздействию, например, на тыльной стороне кистей рук и предплечьях. В сыпи часто появляются небольшие скопления расширенных кровеносных сосудов (телеангиэктазы); телеангиэктазии также могут возникать в глазах. Другие особенности кожи включают участки кожи, которые светлее или темнее, чем окружающие области (соответственно, гипопигментация или гиперпигментация). Эти пятна появляются на участках кожи, которые не подвергаются воздействию солнца, и их развитие не связано с высыпаниями.

Как мишень для наркотиков

В недавних исследованиях ДНК-лигаза I человека использовалась в Компьютерный дизайн лекарств идентифицировать ингибиторы ДНК-лигазы как возможные терапевтические средства для лечения рака.[21] Поскольку чрезмерный рост клеток является признаком развития рака, таргетная химиотерапия, которая нарушает функционирование ДНК-лигазы, может препятствовать адъювантным формам рака. Кроме того, было показано, что ДНК-лигазы можно в общих чертах разделить на две категории, а именно, АТФ- и НАД.+-зависимый. Предыдущие исследования показали, что хотя НАД+-зависимые ДНК-лигазы были обнаружены в спорадических клеточных или вирусных нишах за пределами бактериальной области жизни, нет ни одного случая, когда NAD+-зависимая лигаза присутствует в эукариотический организм. Присутствие только у неэукариотических организмов, уникальной субстратной специфичности и отличительной доменной структуры НАД + -зависимых по сравнению с АТФ-зависимыми ДНК-лигазами человека вместе делает НАД+-зависимые лигазы - идеальные мишени для разработки новых антибактериальных препаратов.[15]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Паскаль Дж. М., О'Брайен П. Дж., Томкинсон А. Э., Элленбергер Т. (ноябрь 2004 г.). «Человеческая ДНК-лигаза I полностью окружает и частично раскручивает разорванную ДНК». Природа. 432 (7016): 473–8. Bibcode:2004Натура.432..473П. Дои:10.1038 / природа03082. PMID  15565146. S2CID  3105417.
  2. ^ Lehman IR (ноябрь 1974 г.). «ДНК-лигаза: структура, механизм и функции». Наука. 186 (4166): 790–7. Bibcode:1974Sci ... 186..790L. Дои:10.1126 / science.186.4166.790. PMID  4377758. S2CID  86549159.
  3. ^ а б Фостер JB, Slonczewski J (2010). Микробиология: развивающаяся наука (Второе изд.). Нью-Йорк: W. W. Norton & Company. ISBN  978-0-393-93447-2.
  4. ^ Ян Ю., LiCata VJ (февраль 2018 г.). «ДНК-полимеразы Pol I стимулируют присоединение концов ДНК с помощью ДНК-лигазы Escherichia coli». Сообщения о биохимических и биофизических исследованиях. 497 (1): 13–18. Дои:10.1016 / j.bbrc.2018.01.165. PMID  29409896.
  5. ^ «Лигазы» (PDF). Руководство по ресурсам ферментов. Корпорация Промега. С. 8–14.
  6. ^ Уилсон Р.Х., Мортон С.К., Дейдерик Х., Герт М.Л., Пол Х.А., Гербер И., Пател А., Эллингтон А.Д., Хьюнике-Смит С.П., Патрик В.М. (июль 2013 г.). «Разработанные ДНК-лигазы с улучшенной активностью in vitro». Белковая инженерия, дизайн и выбор. 26 (7): 471–8. Дои:10.1093 / белок / gzt024. PMID  23754529.
  7. ^ Лысый М.В. (1968). «Ремонт и рекомбинация в фаге Т4. II. Гены, влияющие на чувствительность к УФ». Симпозиумы Колд-Спринг-Харбор по количественной биологии. 33: 333–8. Дои:10.1101 / sqb.1968.033.01.038. PMID  4891973.
  8. ^ Baldy MW (февраль 1970 г.). «Чувствительность к УФ-излучению некоторых чувствительных к температуре мутантов фага Т4 с ранней функцией». Вирусология. 40 (2): 272–87. Дои:10.1016/0042-6822(70)90403-4. PMID  4909413.
  9. ^ Baldy MW, Strom B, Bernstein H (март 1971). «Ремонт алкилированной дезоксирибонуклеиновой кислоты бактериофага Т4 по механизму с участием полинуклеотидлигазы». Журнал вирусологии. 7 (3): 407–8. Дои:10.1128 / JVI.7.3.407-408.1971. ЧВК  356131. PMID  4927528.
  10. ^ «Амплигаза - термостабильная ДНК-лигаза». www.epibio.com. Получено 2017-05-15.
  11. ^ Рассел Д. В., Сэмбрук Дж. (2001). «Глава 1: Плазмиды и их полезность в молекулярном клонировании». Молекулярное клонирование: лабораторное руководство. 1 (3-е изд.). Колд-Спринг-Харбор, Нью-Йорк: Лаборатория Колд-Спринг-Харбор. С. 1–159. ISBN  978-0-87969-577-4.
  12. ^ Банейкс Ф, Люкотт Дж (1993). Введение в методы молекулярного клонирования. Чичестер: Джон Уайли и сыновья. п. 156. ISBN  978-0-471-18849-0.
  13. ^ а б Табор S (май 2001 г.). «ДНК-лигазы». Текущие протоколы в молекулярной биологии. Глава 3: Раздел 3.14. Дои:10.1002 / 0471142727.mb0314s08. ISBN  978-0-471-14272-0. PMID  18265223. S2CID  23944826.
  14. ^ Бханджадео М.М., Наяк А.К., Субудхи У. (2017). «Поверхностная самосборка ДНК: стратегия без ферментов к образованию разветвленной решетки ДНК». Сообщения о биохимических и биофизических исследованиях. 485 (2): 492–498. Дои:10.1016 / j.bbrc.2017.02.024. PMID  28189681.
  15. ^ а б c Шуман С (июнь 2009 г.). «ДНК-лигазы: успехи и перспективы». Журнал биологической химии. 284 (26): 17365–9. Дои:10.1074 / jbc.R900017200. ЧВК  2719376. PMID  19329793.
  16. ^ Weiss B, Richardson CC (апрель 1967 г.). «Ферментативный разрыв и присоединение дезоксирибонуклеиновой кислоты, I. Ремонт однонитевых разрывов в ДНК с помощью ферментной системы из Escherichia coli, инфицированной бактериофагом Т4». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки. 57 (4): 1021–8. Bibcode:1967PNAS ... 57.1021W. Дои:10.1073 / pnas.57.4.1021. ЧВК  224649. PMID  5340583.
  17. ^ Альтманн Т., Геннери А.Р. (октябрь 2016 г.). «Синдром ДНК-лигазы IV; обзор». Журнал редких заболеваний Orphanet. 11 (1): 137. Дои:10.1186 / s13023-016-0520-1. ЧВК  5055698. PMID  27717373.
  18. ^ «пигментная ксеродермия». Домашний справочник по генетике. Получено 2017-05-15.
  19. ^ «атаксия-телеангиэктазия». Домашний справочник по генетике. Получено 2017-05-15.
  20. ^ "Что такое анемия Фанкони?". NHLBI, NIH. Получено 2017-05-15.
  21. ^ Томкинсон AE, Howes TR, Wiest NE (июнь 2013 г.). «ДНК-лигазы как терапевтические мишени». Трансляционные исследования рака. 2 (3). ЧВК  3819426. PMID  24224145.

внешняя ссылка