ДНК-лигаза 1

ЛИГ1
Доступные структуры ПДБ Поиск ортологов: PDBe RCSB показывать Список идентификационных кодов PDB 1X9N
Идентификаторы
Псевдонимы	LIG1 , ДНК-лигаза 1, LIGI, hLig1, IMD96
Внешние идентификаторы	ОМИМ : 126391 ; МГИ : 101789 ; Гомологен : 197 ; Генные карты : LIG1 ; ОМА : LIG1 — ортологи
показывать Местоположение гена ( человек ) Chr. Chromosome 19 (human) Band 19q13.33 Start 48,115,445 bp End 48,170,603 bp
показывать Местоположение гена ( Мышь ) Chr. Chromosome 7 (mouse) Band 7 A1|7 7.82 cM Start 13,011,239 bp End 13,045,350 bp
показывать экспрессии РНК Характер Bgee Human Mouse (ortholog) Top expressed in right uterine tube ventricular zone ganglionic eminence sural nerve mucosa of transverse colon left testis granulocyte gonad right testis testicle Top expressed in tail of embryo genital tubercle outer renal medulla fetal liver hematopoietic progenitor cell inner renal medulla primitive streak epiblast somite yolk sac maxillary prominence More reference expression data BioGPS More reference expression data
показывать Генная онтология Molecular function DNA binding nucleotide binding DNA ligase (ATP) activity metal ion binding ligase activity ATP binding DNA ligase activity Cellular component intracellular membrane-bounded organelle nucleoplasm mitochondrion nucleus cytoplasm Biological process nucleotide-excision repair, DNA gap filling DNA recombination DNA biosynthetic process anatomical structure morphogenesis Okazaki fragment processing involved in mitotic DNA replication cellular response to DNA damage stimulus cell division DNA replication V(D)J recombination DNA mismatch repair DNA ligation involved in DNA repair cell cycle transcription-coupled nucleotide-excision repair DNA repair base-excision repair DNA ligation lagging strand elongation Sources:Amigo / QuickGO
скрывать Ортологи Разновидность Человек Мышь Входить 3978 16881 Вместе ENSG00000105486 ENSMUSG00000056394 ЮниПрот P18858 P37913 RefSeq (мРНК) НМ_000234 НМ_001289063 НМ_001289064 НМ_001320970 НМ_001320971 НМ_001083188 НМ_001199310 НМ_010715 RefSeq (белок) НП_000225 НП_001275992 НП_001275993 НП_001307899 НП_001307900 НП_001076657 НП_001186239 НП_034845 Местоположение (UCSC) Чр 19: 48.12 – 48.17 Мб Чр 7: 13.01 – 13.05 Мб в PubMed Поиск
Викиданные
Просмотр/редактирование человека Просмотр/редактирование мыши

ДНК-лигаза 1, также ДНК-лигаза I , представляет собой фермент , который у человека кодируется LIG1 геном . ДНК-лигаза 1 — единственная известная эукариотическая ДНК-лигаза, участвующая как в ДНК репликации , так и в репарации , что делает ее наиболее изученной из лигаз .

Открытие

Было известно, что репликация ДНК происходит посредством двухцепочечного разрыва , но фермент, ответственный за повторное связывание нитей вместе, и механизм действия были неизвестны до тех пор, пока лаборатории Лемана, Геллерта, Ричардсона и Гурвица не внесли значительный вклад в открытие ДНК. лигазы в 1967 году.

ДНК-лигаза I восстанавливает разорванную ДНК

Набор и регулирование

LIG1 кодирует фермент массой 120 кДа и длиной 919 остатков , известный как ДНК-лигаза 1. Полипептид ДНК-лигазы 1 содержит N-концевую последовательность, нацеленную на фабрику репликации (RFTS), за которой следует последовательность ядерной локализации (NLS) и три функциональных домена. . Эти три домена состоят из N-концевого ДНК-связывающего домена (DBD), каталитической нуклеотидилтрансферазы (NTase) и C-концевых доменов, связывающих олигонуклеотиды / олигосахариды (OB). Хотя N-конец пептида не обладает каталитической активностью, он необходим для активности внутри клеток. N-конец белка содержит последовательность, нацеленную на фабрику репликации, которая используется для рекрутирования его в сайты репликации ДНК, известные как фабрики репликации.

Активация и рекрутирование ДНК-лигазы 1, по-видимому, связаны с посттрансляционными модификациями. N-концевой домен завершается фосфорилированием четырех остатков серина в этом домене: Ser51, Ser76 и Ser91 циклинзависимой киназой (CDK) и Ser66 казеинкиназой II (CKII). Было показано, что фосфорилирование этих остатков (в частности, Ser66), возможно, регулирует взаимодействие между RFTS и ядерным антигеном пролиферирующих клеток (PCNA), когда лигаза 1 рекрутируется на фабрики репликации во время S-фазы . Росси и др. предположили, что при дефосфорилировании Ser66 RFTS лигазы 1 взаимодействует с PCNA, что было подтверждено in vitro Tom et al. Оба набора данных предоставляют убедительные доказательства того, что N-концевая область лигазы I играет регуляторную роль в функционировании ферментов in vivo в ядре. Более того, мутационный анализ показал, что идентификация циклинсвязывающего (Cy) мотива в каталитическом С-концевом домене играет роль в фосфорилировании серинов 91 и 76. Вместе N-концевые серины являются субстратами CDK и CKII, которые, по-видимому, играют важную регуляторную роль в рекрутировании ДНК-лигазы I на фабрику репликации во время S-фазы клеточного цикла .

ДНК-лигаза I, ген LIG1

Функция и механизм

LIG1 кодирует ДНК-лигазу 1, которая участвует в репликации ДНК и процессе эксцизионной репарации оснований .

Эукариотическая ДНК-лигаза 1 катализирует реакцию, химически универсальную для всех лигаз. ДНК-лигаза 1 использует аденозинтрифосфат (АТФ) для катализа энергетически выгодных событий лигирования как при ДНК репликации , так и при репарации . Во время фазы синтеза (S-фазы) эукариотического клеточного цикла происходит репликация ДНК. ДНК-лигаза 1 отвечает за соединение фрагментов Окадзаки , образовавшихся во время прерывистого синтеза ДНК на отстающей цепи ДНК после того, как ДНК-полимераза δ заменила нуклеотиды праймера РНК нуклеотидами ДНК. Если фрагменты Оказаки не связаны друг с другом должным образом, несвязанная ДНК (содержащая «разрыв») может легко деградировать до двухцепочечного разрыва — явления, которое, как известно, вызывает генетические мутации. Чтобы связать эти фрагменты вместе, лигаза проходит три этапа:

1. Добавление группы аденозинмонофосфата (АМФ) к ферменту, называемое аденилированием,
2. Перенос аденозинмонофосфата в ДНК и
3. Никелирование или образование фосфодиэфирной связи.

Минималистичный механизм запечатывания разрывов ДНК с помощью ДНК-лигазы

Во время аденилирования происходит нуклеофильная атака альфа-фосфата АТФ со стороны каталитического лизина , что приводит к образованию неорганического пирофосфата (PPi) и ковалентно связанного промежуточного продукта лизин-АМФ в активном центре ДНК-лигазы 1.

На этапе переноса АМФ ДНК-лигаза связывается с ДНК, находит разрыв и катализирует реакцию на 5'-фосфатном участке разрыва ДНК. Анионный кислород на 5'-фосфате разрыва ДНК служит нуклеофилом, атакуя альфа-фосфат ковалентно связанного АМФ, вызывая ковалентно связанное промежуточное соединение АМФ (промежуточное соединение ДНК-АМФ).

Для образования фосфодиэфирной связи необходимо отщепить промежуточное соединение ДНК-АМФ. Для выполнения этой задачи происходит нуклеофильная атака 5'-фосфата со стороны расположенного выше 3'-гидроксила, что приводит к образованию фосфодиэфирной связи. Во время этой нуклеофильной атаки группа AMP отталкивается от 5'-фосфата в качестве уходящей группы, позволяя запечатать разрыв и высвободить AMP, завершая один цикл лигирования ДНК.

В неоптимальных условиях лигаза может отделиться от ДНК до завершения полной реакции. Было показано, что уровни магния могут замедлять процесс запечатывания разрывов, вызывая диссоциацию лигазы от ДНК, в результате чего прерванный аденилированный промежуточный продукт не может быть зафиксирован без помощи фосфодиэстеразы . Было показано, что апратаксин (фосфодиэстераза) действует на прерванные промежуточные соединения ДНК посредством гидролиза связи АМФ-фосфат, восстанавливая ДНК до ее исходного состояния до того, как лигаза прореагировала.

Роль в ремонте поврежденной базы

Два пути базового эксцизионного восстановления (BER)

ДНК-лигаза 1 выполняет лигирование одноцепочечных разрывов ДНК на заключительном этапе пути эксцизионной репарации оснований (BER). Азотистые основания ДНК обычно повреждаются из-за опасностей окружающей среды, таких как активные формы кислорода , токсины и ионизирующая радиация . BER — это основной путь восстановления, отвечающий за вырезание и замену поврежденных оснований. Лигаза I участвует в пути LP-BER, тогда как лигаза III участвует в основном пути SN-BER (2). LP-BER протекает в 4 каталитических этапа. Сначала ДНК-гликозилаза расщепляет N-гликозидную связь , высвобождая поврежденное основание и создавая AP-сайт — сайт, в котором отсутствует пуриновое или пиримидиновое основание. На следующем этапе эндонуклеаза AP создает разрыв на 5'-конце сайта AP, генерируя висячий остаток дезоксирибозофосфата (dRP) вместо сайта AP. Затем ДНК-полимераза синтезирует несколько новых оснований в направлении от 5’ к 3’, генерируя висячий участок ДНК с dRP на 5’-конце. Именно на этом этапе механизмы SN-BER и LP-BER различаются: в SNBER добавляется только один нуклеотид, а ДНК-полимераза действует как лиаза, вырезая AP-сайт. В LP-BER синтезируются несколько оснований, образуя висячий лоскут ДНК, который расщепляется эндонуклеазой лоскута . В результате остается разорванная цепь ДНК, которая распознается и связывается ДНК-лигазой. Действие лигазы 1 стимулируется другими ферментами LP-BER, в частности AP-эндонуклеазой и ДНК-полимеразой.

Клиническое значение

Мутации в LIG1 , которые приводят к дефициту ДНК-лигазы 1, приводят к иммунодефициту и повышенной чувствительности к агентам, повреждающим ДНК.

Имеются редкие сообщения о пациентах с дефицитом лигазы 1, возникшим в результате наследственных мутантных аллелей. Первый случай проявился задержкой роста и развития и иммунодефицитом. Мышиная модель была создана на основе клеточных линий, полученных от пациента, что подтвердило, что мутантная лигаза вызывает ошибки репликации, приводящие к нестабильности генома . Примечательно, что у мутантных мышей также наблюдалось увеличение онкогенеза . Представлены молекулярные, клеточные и клинические особенности 5 пациентов из 3 родств с биаллельными мутациями. У пациентов наблюдалась гипогаммаглобулинемия, лимфопения, увеличение количества циркулирующих γδT-клеток и очень крупные эритроциты (макроцитоз). Тяжесть клинической картины варьировала от легкого дефицита антител до комбинированного иммунодефицита, требующего трансплантации гемопоэтических стволовых клеток. Было продемонстрировано, что химические и радиационные дефекты нарушают пути восстановления ДНК. Дефекты ДНК-лигазы 1 могут, таким образом, приводить к различным формам аутосомно-рецессивного частичного дефицита ДНК-лигазы 1, приводящего к иммунодефициту различной степени тяжести.

Также было обнаружено, что лигаза I активируется в пролиферирующих опухолевых клетках, в отличие от линий доброкачественных опухолевых клеток и нормальных клеток человека. Кроме того, было показано, что ингибирование экспрессии лигазы I в этих клетках может иметь цитотоксический эффект, что позволяет предположить, что ингибиторы лигазы I могут быть жизнеспособными химиотерапевтическими агентами.

Дефицит апратаксина , фосфодиэстеразы, ответственной за восстановление ДНК (после того, как ДНК-лигаза I прерывает аденилированное промежуточное соединение ДНК), связан с нейродегенерацией . Это говорит о том, что ДНК не способна повторно вступить в путь репарации без дополнительных резервных механизмов для исправления ошибок лигазы.

Поскольку структура ДНК хорошо известна, а многие компоненты, необходимые для ее манипуляций, восстановления и использования, идентифицированы и охарактеризованы, исследователи начинают изучать возможность разработки наноскопических механизмов, которые будут включены в живой организм, обладающий способность лечить болезни, бороться с раком и выпускать лекарства на основе биологического стимула, обеспечиваемого организмом наноскопическому оборудованию. ДНК-лигазу, скорее всего, придется включить в такую ​​машину.

Дальнейшее чтение

• Леонхардт Х, Кардозо MC (1996). «Нацеливание и ассоциация белков с функциональными доменами в ядре: нерастворимое решение». Структурная и функциональная организация ядерной матрицы . Международный обзор цитологии. Том. 162Б. стр. 303–35. дои : 10.1016/S0074-7696(08)62620-0 . ISBN  978-0-12-364566-1 . ПМИД   8557490 .
• Томкинсон А.Е., Макки З.Б. (февраль 1998 г.). «Структура и функция ДНК-лигаз млекопитающих». Мутационные исследования . 407 (1): 1–9. дои : 10.1016/s0921-8777(97)00050-5 . ПМИД   9539976 .
• Перриго М., Пьеро-Дезейлиньи Э., Бассель Б., Хелд Дж. П. (апрель 1976 г.). «[Паралич после радикулографии Димера X]». Новая медицинская пресса . 5 (17): 1120–2. ПМИД   934827 .
• Вебстер А.Д., Барнс Д.Е., Арлетт К.Ф., Леманн А.Р., Линдал Т. (июнь 1992 г.). «Задержка роста и иммунодефицит у пациента с мутациями гена ДНК-лигазы I». Ланцет . 339 (8808): 1508–9. дои : 10.1016/0140-6736(92)91266-Б . ПМИД   1351188 . S2CID   11874717 .
• Барнс Д.Е., Томкинсон А.Е., Леманн А.Р., Вебстер А.Д., Линдал Т. (май 1992 г.). «Мутации в гене ДНК-лигазы I у человека с иммунодефицитами и клеточной гиперчувствительностью к агентам, повреждающим ДНК». Клетка . 69 (3): 495–503. дои : 10.1016/0092-8674(92)90450-Q . ПМИД   1581963 . S2CID   11736507 .
• Барнс Д.Э., Кодама К., Тайнан К., Траск Б.Дж., Кристенсен М., Де Йонг П.Дж. и др. (январь 1992 г.). «Присвоение гена, кодирующего ДНК-лигазу I, хромосоме человека 19q13.2-13.3» . Геномика . 12 (1): 164–6. дои : 10.1016/0888-7543(92)90422-О . ПМИД   1733856 .
• Петрини Дж. Х., Хувилер К. Г., Уивер Д. Т. (сентябрь 1991 г.). «Ген ДНК-лигазы I дикого типа экспрессируется в клетках с синдромом Блума» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 88 (17): 7615–9. Бибкод : 1991PNAS...88.7615P . дои : 10.1073/pnas.88.17.7615 . ПМК   52352 . ПМИД   1881902 .
• Ласко Д.Д., Томкинсон А.Е., Линдал Т. (июль 1990 г.). «ДНК-лигазы млекопитающих. Биосинтез и внутриклеточная локализация ДНК-лигазы I» . Журнал биологической химии . 265 (21): 12618–22. дои : 10.1016/S0021-9258(19)38388-7 . ПМИД   2197279 .
• Барнс Д.Е., Джонстон Л.Х., Кодама К., Томкинсон А.Е., Ласко Д.Д., Линдал Т. (сентябрь 1990 г.). «КДНК ДНК-лигазы I человека: клонирование и функциональная экспрессия в Saccharomyces cerevisiae» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 87 (17): 6679–83. Бибкод : 1990PNAS...87.6679B . дои : 10.1073/pnas.87.17.6679 . ПМК   54600 . ПМИД   2204063 .
• Монтекукко А., Савини Е., Вейгардт Ф., Росси Р., Чиаррокки Дж., Вилла А., Биамонти Дж. (ноябрь 1995 г.). «N-концевой домен человеческой ДНК-лигазы I содержит сигнал ядерной локализации и направляет фермент к местам репликации ДНК» . Журнал ЭМБО . 14 (21): 5379–86. дои : 10.1002/j.1460-2075.1995.tb00222.x . ПМЦ   394647 . ПМИД   7489727 .
• Маруяма К., Сугано С. (январь 1994 г.). «Олиго-кэпирование: простой метод замены кэп-структуры эукариотических мРНК олигорибонуклеотидами». Джин . 138 (1–2): 171–4. дои : 10.1016/0378-1119(94)90802-8 . ПМИД   8125298 .
• Траск Б., Фертитта А., Кристенсен М., Янгблом Дж., Бергманн А., Коупленд А. и др. (январь 1993 г.). «Картирование флуоресцентной гибридизации in situ хромосомы 19 человека: расположение цитогенетических полос 540 космид и 70 генов или маркеров ДНК» . Геномика . 15 (1): 133–45. дои : 10.1006/geno.1993.1021 . ПМИД   8432525 .
• Петрини Дж. Х., Уолш М. Е., ДиМаре С., Чен X. Н., Коренберг Дж. Р., Уивер Д. Т. (сентябрь 1995 г.). «Выделение и характеристика человеческого гомолога MRE11». Геномика . 29 (1): 80–6. дои : 10.1006/geno.1995.1217 . ПМИД   8530104 .
• Бентли Д., Селфридж Дж., Миллар Дж.К., Сэмюэл К., Хоул Н., Анселл Дж.Д., Мелтон Д.В. (август 1996 г.). «ДНК-лигаза I необходима для эритропоэза печени плода, но не важна для жизнеспособности клеток млекопитающих». Природная генетика . 13 (4): 489–91. дои : 10.1038/ng0896-489 . ПМИД   8696349 . S2CID   20264173 .
• Сузуки Ю, Ёситомо-Накагава К, Маруяма К, Суяма А, Сугано С (октябрь 1997 г.). «Создание и характеристика библиотеки кДНК, обогащенной по полной длине и по 5'-концу». Джин . 200 (1–2): 149–56. дои : 10.1016/S0378-1119(97)00411-3 . ПМИД   9373149 .
• Росси Р., Вилла А, Негри С, Сковасси I, Чиаррокки Дж., Биамонти Дж., Монтекукко А (октябрь 1999 г.). «Фабрика репликации, нацеленная на последовательность/сайт связывания PCNA, необходима в G (1) для контроля статуса фосфорилирования ДНК-лигазы I» . Журнал ЭМБО . 18 (20): 5745–54. дои : 10.1093/emboj/18.20.5745 . ПМЦ   1171641 . ПМИД   10523317 .
• Мацумото Ю., Ким К., Гурвиц Дж., Гэри Р., Левин Д.С., Томкинсон А.Е., Парк М.С. (ноябрь 1999 г.). «Восстановление ядерного антиген-зависимого восстановления апуриновых/апиримидиновых участков пролиферирующих клеток с помощью очищенных белков человека» . Журнал биологической химии . 274 (47): 33703–8. дои : 10.1074/jbc.274.47.33703 . ПМИД   10559261 .
• Виспе С., Сато М.С. (сентябрь 2000 г.). «Образование двухцепочечного разрыва ДНК в клетках человека, опосредованное патчем репарации ДНК» . Журнал биологической химии . 275 (35): 27386–92. дои : 10.1074/jbc.M003126200 . ПМИД   10827190 .

Внешние ссылки

• Обзор всей структурной информации, доступной в PDB для UniProt : P18858 (ДНК-лигаза 1) в PDBe-KB .