Jump to content

ДНК-лигаза

(Перенаправлено с Лигирование )
ДНК-лигаза
Художественная концепция ДНК-лигазы, восстанавливающей хромосомные повреждения
Идентификаторы
Номер ЕС. 6.5.1.1
Номер CAS. 9015-85-4
Базы данных
ИнтЭнк вид IntEnz
БРЕНДА БРЕНДА запись
Экспаси Просмотр NiceZyme
КЕГГ КЕГГ запись
МетаЦик метаболический путь
ПРЯМОЙ профиль
PDB Структуры RCSB PDB PDBe PDBsum
Генная онтология АмиГО / QuickGO
Поиск
PMCarticles
PubMedarticles
NCBIproteins
лигаза I, ДНК, АТФ-зависимый
Идентификаторы
Символ ЛИГ1
ген NCBI 3978
HGNC 6598
МОЙ БОГ 126391
RefSeq НМ_000234
ЮниПрот P18858
Другие данные
Локус Хр. 19 [1]
Искать
StructuresSwiss-model
DomainsInterPro
лигаза III, ДНК, АТФ-зависимый
Идентификаторы
Символ ЛИГ3
ген NCBI 3980
HGNC 6600
МОЙ БОГ 600940
RefSeq НМ_002311
ЮниПрот P49916
Другие данные
Локус Хр. 17 q11.2-q12
Искать
StructuresSwiss-model
DomainsInterPro

ДНК-лигаза — это тип фермента, который облегчает соединение цепей ДНК , катализируя образование фосфодиэфирной связи . Он играет роль в восстановлении одноцепочечных разрывов дуплексной ДНК в живых организмах, но некоторые формы (например, ДНК-лигаза IV ) могут специфически восстанавливать двухцепочечные разрывы (т.е. разрыв обеих комплементарных цепей ДНК). Однонитевые разрывы восстанавливаются ДНК-лигазой, используя комплементарную цепь двойной спирали в качестве матрицы. [ 1 ] ДНК-лигаза создает последнюю фосфодиэфирную связь для полного восстановления ДНК.

ДНК-лигаза используется как для репарации ДНК , так и для репликации ДНК (см. Лигазы млекопитающих ). Кроме того, ДНК-лигаза широко используется в лабораториях молекулярной биологии для по рекомбинантной ДНК экспериментов (см. «Исследовательские применения »). Очищенная ДНК-лигаза используется при клонировании генов для соединения молекул ДНК с образованием рекомбинантной ДНК .

Ферментативный механизм

[ редактировать ]
На изображении показано, как лигаза (желтый овал) катализирует две цепи фрагмента ДНК. Лигаза соединяет два фрагмента ДНК, образуя более длинную цепь ДНК, «склеивая» их вместе.

Механизм ДНК-лигазы заключается в образовании двух ковалентных фосфодиэфирных связей между 3'-гидроксильными концами одного нуклеотида («акцептор») и 5'-фосфатным концом другого («донор»). На каждую образовавшуюся фосфодиэфирную связь расходуются две молекулы АТФ. [ нужна ссылка ] AMP необходим для лигазной реакции, которая протекает в четыре этапа:

  1. Реорганизация места активности, например, разрывы в сегментах ДНК или фрагментах Оказаки и т. д.
  2. Аденилирование (присоединение АМФ) остатка лизина в активном центре фермента, пирофосфат ; высвобождается
  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 липкими концами )

Лигаза также будет работать с тупыми концами , хотя требуются более высокие концентрации фермента и другие условия реакции.

кишечная палочка

[ редактировать ]

ДНК-лигаза E. coli кодируется геном lig . ДНК-лигаза в E. coli , как и у большинства прокариот, использует энергию, полученную при расщеплении никотинамидадениндинуклеотида (НАД), для создания фосфодиэфирной связи. [ 3 ] Он не лигирует ДНК с тупыми концами, за исключением условий молекулярной скученности полиэтиленгликолем , и не может эффективно соединять РНК с ДНК. [ нужна ссылка ]

Активность ДНК-лигазы E. coli может быть усилена ДНК-полимеразой в правильных концентрациях. Усиление работает только тогда, когда концентрации ДНК-полимеразы 1 намного ниже, чем концентрации фрагментов ДНК, подлежащих лигированию. Когда концентрации ДНК-полимераз Pol I выше, это оказывает неблагоприятное воздействие на ДНК-лигазу E. coli. [ 4 ]

ДНК-лигаза бактериофага Т4 ( бактериофага, инфицирующего бактерии Escherichia coli ). Лигаза Т4 наиболее часто используется в лабораторных исследованиях. [ 5 ] Он может лигировать как слипшиеся, так и тупые концы ДНК, олигонуклеотиды, а также гибриды РНК и РНК-ДНК, но не одноцепочечные нуклеиновые кислоты. Он также может лигировать ДНК с тупыми концами с гораздо большей эффективностью, чем ДНК-лигаза E. coli . В отличие от ДНК-лигазы E. coli , ДНК-лигаза Т4 не может использовать НАД и абсолютно необходима АТФ в качестве кофактора. Были проведены некоторые инженерные разработки для улучшения in vitro активности ДНК-лигазы Т4 ; один успешный подход, например, протестировал ДНК-лигазу Т4, слитую с несколькими альтернативными ДНК-связывающими белками, и обнаружил, что конструкции с p50 или NF-kB в качестве партнеров слияния были более чем на 160% более активны при лигировании тупых концов для целей клонирования, чем конструкции дикого типа. ДНК-лигаза Т4. [ 6 ] В типичной реакции вставки фрагмента в плазмидный вектор используется от 0,01 (липкие концы) до 1 (тупые концы) единицы лигазы. Оптимальная температура инкубации ДНК-лигазы Т4 составляет 16 °С. [ нужна ссылка ]

бактериофага Т4 лигазы Мутанты обладают повышенной чувствительностью как к УФ-облучению, так и к УФ- излучению. [ 7 ] [ 8 ] и алкилирующий агент метилметансульфонат [ 9 ] что указывает на то, что ДНК-лигаза используется для восстановления вызванных повреждений ДНК, этими агентами.

млекопитающее

[ редактировать ]

У млекопитающих существует четыре конкретных типа лигазы.

  1. ДНК-лигаза 1 : лигирует возникающую ДНК отстающей цепи после того, как рибонуклеаза H удалила праймер РНК из фрагментов Оказаки .
  2. ДНК-лигаза 3 : образует комплексы с репарации ДНК белком XRCC1, помогая запечатывать ДНК в процессе эксцизионной репарации нуклеотидов и рекомбинантных фрагментов. Из всех известных ДНК-лигаз млекопитающих только лигаза 3 присутствует в митохондриях.
  3. ДНК-лигаза 4 : комплексы с XRCC4 . Он катализирует заключительный этап пути восстановления негомологичного конца двухцепочечного разрыва ДНК. Он также необходим для рекомбинации V(D)J — процесса, который генерирует разнообразие иммуноглобулинов и рецепторов Т-клеток локусов во время развития иммунной системы .
  • ДНК-лигаза 2: артефакт очистки, возникающий в результате протеолитической деградации ДНК-лигазы 3. Первоначально ее считали еще одной ДНК-лигазой, и это является причиной необычной номенклатуры ДНК-лигаз. [ 10 ]

ДНК-лигаза эукариот и некоторых микробов использует аденозинтрифосфат (АТФ), а не НАД. [ 3 ]

Термостабильный

[ редактировать ]

Полученный из термофильной бактерии, фермент стабилен и активен при гораздо более высоких температурах, чем обычные ДНК-лигазы. Период его полураспада составляет 48 часов при 65°С и более 1 часа при 95°С. Было показано, что амплигаза ДНК-лигаза активна в течение как минимум 500 термических циклов (94 °C/80 °C) или 16 часов езды на велосипеде. 10 Эта исключительная термостабильность обеспечивает чрезвычайно высокую строгость гибридизации и специфичность лигирования. [ 11 ]

Измерение активности

[ редактировать ]

Для измерения активности ДНК-лигазы используются как минимум три различные единицы: [ 12 ]

  • Единица Вейсса – количество лигазы, катализирующей обмен 1 нмоль 32 Р из неорганического пирофосфата в АТФ за 20 минут при 37 ° C. Это наиболее часто используемый вариант.
  • Единица Модрича-Лемана - используется редко, и одна единица определяется как количество фермента, необходимое для преобразования 100 нмолей d(AT) n в форму, устойчивую к экзонуклеазе-III, за 30 минут в стандартных условиях.
  • Многие коммерческие поставщики лигаз используют произвольную единицу измерения, основанную на способности лигазы лигировать сплоченные концы. Эти единицы зачастую более субъективны, чем количественные, и им не хватает точности.

Исследовательские приложения

[ редактировать ]

ДНК-лигазы стали незаменимыми инструментами в современных молекулярно-биологических исследованиях для создания рекомбинантных последовательностей ДНК. Например, ДНК-лигазы используются с ферментами рестрикции для встраивания фрагментов ДНК, часто генов , в плазмиды .

Контроль оптимальной температуры является жизненно важным аспектом проведения эффективных экспериментов по рекомбинации, включающих лигирование фрагментов со слипшимися концами. В большинстве экспериментов используется ДНК-лигаза Т4 (выделенная из бактериофага Т4 ), которая наиболее активна при 37 °C. [ 13 ] Однако для оптимальной эффективности лигирования фрагментов со сцепленными концами («липких концов») оптимальная температура фермента должна быть сбалансирована с температурой плавления T m лигируемых липких концов. [ 14 ] гомологичное спаривание липких концов не будет стабильным, поскольку высокая температура разрушает водородные связи . Реакция лигирования наиболее эффективна, когда липкие концы уже стабильно отожжены, и поэтому разрушение отжигаемых концов может привести к низкой эффективности лигирования. Чем короче свес , тем ниже T m .

Поскольку фрагменты ДНК с тупыми концами не имеют сцепленных концов, которые можно было бы отжигать, температура плавления не является фактором, который следует учитывать в нормальном температурном диапазоне реакции лигирования. Ограничивающим фактором при лигировании тупых концов является не активность лигазы, а количество происходящих выравниваний между концами фрагментов ДНК. Таким образом, наиболее эффективной температурой лигирования ДНК с тупыми концами будет температура, при которой может произойти наибольшее количество выравниваний. Большинство перевязок с тупыми концами проводят при температуре 14–25 °C в течение ночи. Отсутствие стабильно отожженных концов также означает, что эффективность лигирования снижается, что требует использования более высокой концентрации лигазы. [ 14 ]

Новое применение ДНК-лигазы можно увидеть в области нанохимии, особенно в ДНК-оригами. Принципы самосборки, основанные на ДНК, оказались полезными 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 внешней помощи с использованием различных субстратов, таких как кататоническая поверхность алюминиевой фольги, ДНК-лигаза может оказать ферментативную помощь, необходимую для создания решетчатой ​​структуры ДНК из остатков ДНК. [ 15 ]

Первая ДНК-лигаза была очищена и охарактеризована в 1967 году лабораториями Геллерта, Лемана, Ричардсона и Гурвица. [ 16 ] Впервые он был очищен и охарактеризован Вайсом и Ричардсоном с использованием шестиэтапного процесса хроматографического фракционирования, начинающегося с удаления остатков клеток и добавления стрептомицина, за которым следовали несколько промывок колонки диэтиламиноэтил (DEAE)-целлюлозой и окончательное фракционирование фосфоцеллюлозы. Конечный экстракт содержал 10% активности, первоначально зафиксированной в среде E. coli ; В ходе процесса было обнаружено, что АТФ и Mg++ необходимы для оптимизации реакции. Обычные коммерчески доступные ДНК-лигазы были первоначально обнаружены в бактериофаге Т4 , E.coli и других бактериях . [ 17 ]

расстройства

[ редактировать ]

Генетические дефициты ДНК-лигаз человека связаны с клиническими синдромами, характеризующимися иммунодефицитом, чувствительностью к радиации и аномалиями развития. [ 16 ] Синдром LIG4 (синдром лигазы IV) — редкое заболевание, связанное с мутациями ДНК-лигазы 4 и препятствующее механизмам восстановления разрывов дцДНК. Синдром лигазы IV вызывает у людей иммунодефицит и обычно связан с микроцефалией и гипоплазией костного мозга. [ 18 ] Список распространенных заболеваний, вызванных отсутствием или нарушением работы ДНК-лигазы, следующий.

Пигментная ксеродерма

[ редактировать ]

Пигментная ксеродерма , широко известная как XP, представляет собой наследственное заболевание, характеризующееся крайней чувствительностью к ультрафиолетовым (УФ) лучам солнечного света. Это заболевание чаще всего поражает глаза и участки кожи, подвергающиеся воздействию солнца. У некоторых пострадавших также наблюдаются проблемы с нервной системой. [ 19 ]

Атаксия-телеангиэктазия

[ редактировать ]

Мутации в гене ATM вызывают атаксию-телеангиэктазию . Ген ATM дает инструкции по созданию белка, который помогает контролировать деление клеток и участвует в восстановлении ДНК. Этот белок играет важную роль в нормальном развитии и деятельности ряда систем организма, включая нервную и иммунную системы. Белок АТМ помогает клеткам распознавать поврежденные или сломанные цепи ДНК и координирует восстановление ДНК, активируя ферменты, которые восстанавливают сломанные цепи. Эффективное восстановление поврежденных цепей ДНК помогает поддерживать стабильность генетической информации клетки. У больных детей обычно возникают трудности при ходьбе, проблемы с балансом и координацией рук, непроизвольные подергивания (хорея), мышечные подергивания (миоклонус) и нарушения функции нервов (нейропатия). Проблемы с передвижением обычно приводят к тому, что в подростковом возрасте людям требуется помощь инвалидной коляски. Люди с этим расстройством также имеют невнятную речь и проблемы с перемещением глаз, чтобы посмотреть из стороны в сторону (глазодвигательная апраксия). [ 20 ]

Анемия Фанкони

[ редактировать ]

Анемия Фанкони (ФА) — редкое наследственное заболевание крови, приводящее к недостаточности костного мозга. FA не позволяет костному мозгу производить достаточно новых клеток крови, чтобы организм мог нормально работать. FA также может привести к тому, что костный мозг выработает много дефектных клеток крови. Это может привести к серьезным проблемам со здоровьем, например, лейкемии . [ 21 ]

Синдром Блума

[ редактировать ]

Синдром Блума приводит к тому, что кожа становится чувствительной к воздействию солнечных лучей, и обычно появляется пятно покрасневшей кожи в форме бабочки на носу и щеках. Кожная сыпь может также появиться на других участках, которые обычно подвергаются воздействию солнца, например, на тыльной стороне кистей и предплечьях. В сыпи часто появляются небольшие скопления расширенных кровеносных сосудов (телеангиэктазии); телеангиэктазии также могут возникать в глазах. Другие особенности кожи включают участки кожи, которые светлее или темнее окружающих участков (гипопигментация или гиперпигментация соответственно). Эти пятна появляются на участках кожи, не подвергающихся воздействию солнца, и их развитие не связано с высыпаниями.

Как мишень для наркотиков

[ редактировать ]

В недавних исследованиях ДНК-лигаза I человека использовалась в компьютерной разработке лекарств для идентификации ингибиторов ДНК-лигазы в качестве возможных терапевтических средств для лечения рака. [ 22 ] Поскольку чрезмерный рост клеток является признаком развития рака, таргетная химиотерапия, нарушающая функционирование ДНК-лигазы, может препятствовать развитию адъювантных форм рака. Кроме того, было показано, что ДНК-лигазы можно 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 НАД + -зависимая лигаза присутствует в эукариотическом организме. Присутствие исключительно у неэукариотических организмов, уникальная субстратная специфичность и отличительная доменная структура НАД+-зависимых по сравнению с АТФ-зависимыми ДНК-лигазами человека вместе делают НАД + -зависимые лигазы являются идеальными мишенями для разработки новых антибактериальных препаратов. [ 16 ]

См. также

[ редактировать ]
  1. ^ Паскаль Дж.М., О'Брайен П.Дж., Томкинсон А.Е., Элленбергер Т. (ноябрь 2004 г.). «ДНК-лигаза человека I полностью окружает и частично раскручивает разорванную ДНК». Природа . 432 (7016): 473–8. Бибкод : 2004Natur.432..473P . дои : 10.1038/nature03082 . ПМИД   15565146 . S2CID   3105417 .
  2. ^ Lehman IR (ноябрь 1974 г.). «ДНК-лигаза: структура, механизм и функции». Наука . 186 (4166): 790–7. Бибкод : 1974Sci...186..790L . дои : 10.1126/science.186.4166.790 . ПМИД   4377758 . S2CID   86549159 .
  3. ^ Jump up to: а б Фостер Дж. Б., Слончевски Дж. (2010). Микробиология: развивающаяся наука (второе изд.). Нью-Йорк: WW Norton & Company. ISBN  978-0-393-93447-2 .
  4. ^ Ян Ю, LiCata VJ (февраль 2018 г.). «ДНК-полимеразы Pol I стимулируют соединение концов ДНК с помощью ДНК-лигазы Escherichia coli» . Связь с биохимическими и биофизическими исследованиями . 497 (1): 13–18. дои : 10.1016/j.bbrc.2018.01.165 . ПМИД   29409896 .
  5. ^ «Лигазы» (PDF) . Руководство по ферментным ресурсам . Корпорация Промега. стр. 8–14.
  6. ^ Уилсон Р.Х., Мортон С.К., Дейдерик Х., Герт М.Л., Пол Х.А., Гербер И., Патель А., Эллингтон А.Д., Ханике-Смит С.П., Патрик В.М. (июль 2013 г.). «Инженерные ДНК-лигазы с улучшенной активностью in vitro» . Белковая инженерия, проектирование и отбор . 26 (7): 471–8. дои : 10.1093/протеин/gzt024 . ПМИД   23754529 .
  7. ^ Болди М.В. (1968). «Репарация и рекомбинация в фаге Т4. II. Гены, влияющие на чувствительность к ультрафиолетовому излучению». Симпозиумы Колд-Спринг-Харбор по количественной биологии . 33 : 333–8. дои : 10.1101/sqb.1968.033.01.038 . ПМИД   4891973 .
  8. ^ Болди М.В. (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 . ПМИД   4909413 .
  9. ^ Болди М.В., Стром Б., Бернштейн Х. (март 1971 г.). «Репарация дезоксирибонуклеиновой кислоты алкилированного бактериофага Т4 по механизму с участием полинуклеотидлигазы» . Журнал вирусологии . 7 (3): 407–8. doi : 10.1128/JVI.7.3.407-408.1971 . ПМК   356131 . ПМИД   4927528 .
  10. ^ Томкинсон, Алан Э; Саллмир, Аннахита (5 сентября 2013 г.). «Структура и функция ДНК-лигаз, кодируемых геном LIG3 млекопитающих» . Джин . 531 (2): 150–157. дои : 10.1016/j.gene.2013.08.061 . ПМЦ   3881560 . ПМИД   24013086 .
  11. ^ «Амплигаза-термостабильная ДНК-лигаза» . www.epibio.com . Архивировано из оригинала 19 июня 2017 г. Проверено 15 мая 2017 г.
  12. ^ Рассел Д.В., Сэмбрук Дж. (2001). «Глава 1: Плазмиды и их полезность в молекулярном клонировании». Молекулярное клонирование: лабораторное пособие . Том. 1 (3-е изд.). Колд-Спринг-Харбор, Нью-Йорк: Лаборатория Колд-Спринг-Харбор. стр. 1–159. ISBN  978-0-87969-577-4 .
  13. ^ Бэнейкс Ф., Люкотт Дж. (1993). Введение в методы молекулярного клонирования . Чичестер: Джон Уайли и сыновья. п. 156. ИСБН  978-0-471-18849-0 .
  14. ^ Jump up to: а б Табор С. (май 2001 г.). «ДНК-лигазы». Современные протоколы молекулярной биологии . Глава 3: Раздел 3.14. дои : 10.1002/0471142727.mb0314s08 . ISBN  978-0-471-14272-0 . ПМИД   18265223 . S2CID   23944826 .
  15. ^ Бханджадео М.М., Наяк АК, Субудхи У (2017). «Самосборка ДНК с помощью поверхности: безэнзимная стратегия формирования разветвленной решетки ДНК». Связь с биохимическими и биофизическими исследованиями . 485 (2): 492–498. дои : 10.1016/j.bbrc.2017.02.024 . ПМИД   28189681 .
  16. ^ Jump up to: а б с Шуман С (июнь 2009 г.). «ДНК-лигазы: прогресс и перспективы» . Журнал биологической химии . 284 (26): 17365–9. дои : 10.1074/jbc.R900017200 . ПМК   2719376 . ПМИД   19329793 .
  17. ^ Вайс Б., Ричардсон CC (апрель 1967 г.). «Ферментативный разрыв и присоединение дезоксирибонуклеиновой кислоты. I. Репарация одноцепочечных разрывов ДНК ферментной системой Escherichia coli, инфицированной бактериофагом Т4» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 57 (4): 1021–8. Бибкод : 1967PNAS...57.1021W . дои : 10.1073/pnas.57.4.1021 . ПМК   224649 . ПМИД   5340583 .
  18. ^ Альтманн Т., Дженнери А.Р. (октябрь 2016 г.). «Синдром ДНК-лигазы IV; обзор» . Сиротский журнал редких заболеваний . 11 (1): 137. дои : 10.1186/s13023-016-0520-1 . ПМК   5055698 . ПМИД   27717373 .
  19. ^ «пигментная ксеродерма» . Домашний справочник по генетике . Проверено 15 мая 2017 г.
  20. ^ «атаксия-телеангиэктазия» . Домашний справочник по генетике . Проверено 15 мая 2017 г.
  21. ^ «Что такое анемия Фанкони?» . НХЛБИ, НИЗ . Проверено 15 мая 2017 г.
  22. ^ Томкинсон А.Е., Хоуз Т.Р., Уист Н.Е. (июнь 2013 г.). «ДНК-лигазы как терапевтические мишени» . Трансляционное исследование рака . 2 (3). ПМЦ   3819426 . ПМИД   24224145 .
[ редактировать ]
Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: 47e94e3e7279fb05debd629271e9c5c9__1718661180
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/47/c9/47e94e3e7279fb05debd629271e9c5c9.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
DNA ligase - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)