LIG1 - LIG1
DNA ligáza 1 je enzym že u lidí je kódován LIG1 gen. DNA ligáza I je jedinou známou eukaryotickou DNA ligázou zapojenou do replikace i opravy DNA, což z ní činí nejvíce studovanou ligázy.
Objev
Bylo známo, že k replikaci DNA došlo rozbitím dvojitého řetězce DNA, ale enzym odpovědný za ligaci řetězců dohromady a mechanismus působení nebyl znám, dokud laboratoře Lehman, Gellert, Richardson a Hurwitz významně nepřispěly objev DNA ligázy v roce 1967.[5]
Nábor a regulace
Gen LIG1 kóduje a, 120 kDa enzym, 919 zbytky dlouhá, známá jako DNA ligáza I. Polypeptid DNA ligázy I obsahuje N-terminál sekvence zaměřená na replikaci továrny (RFTS), následovaná a sekvence nukleární lokalizace (NLS) a tři funkční domény.[6] Tyto tři domény se skládají z N-terminálu DNA vazebná doména (DBD) a katalytické nukleotidyltransferáza (NTase) a C-terminál oligonukleotid / oligosacharid vazebné (OB) domény. Přestože N-konec peptidu nemá žádnou katalytickou aktivitu, je nezbytný pro aktivitu v buňkách. N-konec proteinu obsahuje replikační sekvenci zaměřenou na továrnu, která se používá k jeho náboru na místa replikace DNA známá jako továrny na replikaci.
Zdá se, že aktivace a nábor DNA ligázy I souvisí s posttranslačními modifikacemi. N-koncová doména je dokončena prostřednictvím fosforylace ze čtyř serin zbytky v této doméně, Ser51, Ser76 a Ser91 podle cyklin-dependentní kináza (CDK) a Ser66 od kasein kináza II (CKII). Ukázalo se, že fosforylace těchto zbytků (zejména Ser66) možná reguluje interakci mezi RFTS s proliferující buněčný jaderný antigen (PCNA), když je ligáza I přijata do replikačních továren během S-fáze.[6][7] Rossi a kol. navrhuje, že když je Ser66 defosforylován, RFTS ligázy I interaguje s PCNA, což bylo potvrzeno in vitro Tomem a kol. Oba datové soubory poskytují věrohodný důkaz, že N-koncová oblast ligázy I hraje regulační roli ve funkci enzymů in vivo v jádře.[7][8] Kromě toho bylo prokázáno, že identifikace motivu cyklinu vázajícího (Cy) v katalytické C-koncové doméně pomocí mutační analýzy hraje roli ve fosforylaci serinů 91 a 76. N-terminální seriny jsou společně substráty CDK a CKII, které podle všeho hrají důležitou regulační roli nábor DNA ligázy I do replikační továrny během S-fáze buněčný cyklus.[6][9]
Funkce a mechanismus
LIG1 kóduje DNA ligázu I, která funguje v DNA replikace a oprava základní excize proces.[10]
Eukaryotická DNA ligáza 1 katalyzuje reakci, která je chemicky univerzální pro všechny ligázy. DNA ligáza 1 využívá adenosintrifosfát (ATP) katalyzovat energeticky příznivé ligační události v obou replikace DNA a opravit. Během fáze syntézy (S-fáze) eukaryotické buněčný cyklus, Dochází k replikaci DNA. DNA ligáza 1 je zodpovědná za spojení Okazaki fragmenty vytvořené během diskontinuální syntézy DNA na zaostávajícím řetězci DNA poté DNA polymeráza δ nahradil nukleotidy primerů RNA nukleotidy DNA. Pokud nejsou fragmenty Okazaki řádně ligovány, mohla by se neligovaná DNA (obsahující „nick“) snadno rozložit na dvouvláknový zlom, o kterém je známo, že způsobuje genetické mutace. Za účelem ligace těchto fragmentů dohromady ligáza postupuje třemi kroky:
- Doplnění adenosinmonofosfát (AMP) skupina na enzym, označovaná jako adenylylace,
- Přenos adenosinmonofosfátu do DNA a
- Těsnění niklem nebo tvorba fosfodiesterové vazby.[8][11]
V průběhu adenylylace, tady je nukleofilní útok na alfa fosfátu ATP z katalyzátoru lysin což má za následek produkci anorganických látek pyrofosfát (PPi) a kovalentně vázaný meziprodukt lysin-AMP v aktivním místě DNA ligázy 1.
Během kroku přenosu AMP se DNA ligáza spojí s DNA, lokalizuje nick a katalyzuje reakci na 5 'fosfátovém místě DNA nicku. Aniontový kyslík na 5 'fosfátu DNA nicku slouží jako nukleofil, který napadá alfa fosfát kovalentně vázaného AMP, což způsobuje, že AMP je kovalentně vázán jako meziprodukt (DNA-AMP meziprodukt).
Aby se vytvořila fosfodiesterová vazba, musí se meziprodukt DNA-AMP odštěpit. K dosažení tohoto úkolu dochází k nukleofilnímu útoku na 5’-fosfát z předního 3’-hydroxylu, který vede k tvorbě fosfodiesterové vazby. Během tohoto nukleofilního útoku je skupina AMP vytlačena z 5 'fosfátu jako odcházející skupina umožňující utěsnění nicku a uvolnění AMP, čímž je dokončen jeden cyklus ligace DNA.
Za suboptimálních podmínek může ligáza disociovat z DNA před dokončením úplné reakce. Bylo prokázáno, že hořčík Úrovně mohou zpomalit proces niklování, což způsobí, že se ligáza oddělí od DNA a ponechá přerušený adenylylovaný meziprodukt neschopný fixace bez pomoci fosfodiesteráza. Aprataxin Bylo prokázáno, že (fosfodiesteráza) působí na přerušené intermediáty DNA hydrolýzou vazby AMP-fosfátu a obnovuje DNA do počátečního stavu před reakcí ligázy.[12][13]
Role v poškození poškozené základny
DNA ligáza I funguje tak, že liguje rozštěpy jednovláknové DNA v posledním kroku oprava základní excize (BER) cesta.[14] Dusíkaté báze DNA jsou běžně poškozovány vlivy prostředí, jako jsou reaktivní formy kyslíku, toxiny a ionizující radiace. BER je hlavní cestou opravy odpovědnou za vyříznutí a výměnu poškozených základen. Ligase I je zapojen do dráhy LP-BER, zatímco ligáza III je zapojen do hlavní cesty SN-BER (2).[15] LP-BER probíhá ve 4 katalytických krocích. Nejprve, a DNA glykosyláza štěpí N-glykosidová vazba, uvolnění poškozené základny a vytvoření stránky AP - stránky, které postrádají a purin nebo pyrimidin základna. V dalším kroku vytvoří AP endonukleáza nick na 5 'konci místa AP, čímž se vytvoří zavěšení deoxyribóza fosfátový (dRP) zbytek místo místa AP. DNA polymeráza poté syntetizuje několik nových bází ve směru 5 'až 3' a vytváří visící úsek DNA s dRP na jeho 5 'konci. Právě v tomto kroku se SN-BER a LP-BER rozcházejí v mechanismu - v SNBER se přidá pouze jeden nukleotid a DNA polymeráza působí jako lyáza, aby excidovala místo AP. V LP-BER je syntetizováno několik bází, které vytvářejí visící chlopeň DNA, která je štěpena klapková endonukleáza. To zanechává za sebou vroubkovaný řetězec DNA, který je snímán a ligován DNA ligázou.[14][15][16] Působení ligázy I je stimulováno dalšími enzymy LP-BER, zejména AP-endonukleázou a DNA polymerázou.[16]
Klinický význam
Výsledkem jsou mutace v LIG1, které vedou k deficitu DNA ligázy I. imunodeficience a zvýšená citlivost na látky poškozující DNA.[10]
Existuje pouze jeden potvrzený případ pacienta vykazujícího nedostatek ligázy I, který byl výsledkem zděděné mutantní alely. Příznaky tohoto nedostatku se projevily jako zastavený růst a vývoj a imunodeficience. Na základě buněčných linií odvozených od pacienta byl vytvořen myší model, který potvrzuje, že mutantní ligáza uděluje chyby replikace vedoucí k genomická nestabilita. Zejména mutantní myši také vykazovaly zvýšení tumorigeneze.[8]
Bylo také zjištěno, že ligáza I je upregulována v proliferujících nádorových buňkách, na rozdíl od benigních nádorových buněčných linií a normálních lidských buněk. Dále se ukázalo, že inhibice exprese ligázy I v těchto buňkách může mít cytotoxický účinek, což naznačuje, že inhibitory ligázy I mohou být životaschopnými chemoterapeutiky.[17]
Nedostatky v aprataxin, a fosfodiesteráza odpovědný za rekondici DNA (poté, co DNA ligáza přeruší adenylylovaný DNA meziprodukt), byl spojen s neurodegenerace. To naznačuje, že DNA není schopna znovu vstoupit do opravné dráhy bez dalšího záložního aparátu k opravě chyb ligázy.[13]
S dobře známou strukturou DNA a identifikováním a charakterizováním mnoha komponent nezbytných pro její manipulaci, opravy a použití začínají vědci hledat vývoj nanoskopického aparátu, který by byl začleněn do živého organismu, který by vlastnil schopnost léčit nemoci, bojovat s rakovinou a uvolňovat léky na základě biologického stimulu poskytovaného organismem nanosocpickému aparátu. DNA ligáza by s největší pravděpodobností musela být zabudována do takového stroje.[18]
Reference
- ^ A b C GRCh38: Vydání souboru 89: ENSG00000105486 - Ensembl, Květen 2017
- ^ A b C GRCm38: Vydání souboru 89: ENSMUSG00000056394 - Ensembl, Květen 2017
- ^ „Human PubMed Reference:“. Národní centrum pro biotechnologické informace, Americká národní lékařská knihovna.
- ^ „Myš PubMed Reference:“. Národní centrum pro biotechnologické informace, Americká národní lékařská knihovna.
- ^ Kresge N, Simoni RD, Hill RL (leden 2007). „Pohledy na spojení DNA: Práce Roberta Lehmana na DNA Ligase“. Journal of Biological Chemistry. 282 (2): e1.
- ^ A b C Ferrari G, Rossi R, Arosio D, Vindigni A, Biamonti G, Montecucco A (září 2003). „Fosforylace lidské DNA ligázy I závislá na buněčném cyklu v místech cyklin-dependentních kináz“. J. Biol. Chem. 278 (39): 37761–7. doi:10,1074 / jbc.M304462200. PMID 12851383.
- ^ A b Rossi R, Villa A, Negri C, Scovassi I, Ciarrocchi G, Biamonti G, Montecucco A (říjen 1999). „Sekvence zaměřená na replikační továrnu / PCNA-vazebné místo je v G (1) vyžadována ke kontrole stavu fosforylace DNA ligázy I“. EMBO J.. 18 (20): 5745–54. doi:10.1093 / emboj / 18.20.5745. PMC 1171641. PMID 10523317.
- ^ A b C Ellenberger T, Tomkinson AE (2008). „Eukaryotické DNA ligázy: strukturální a funkční poznatky“. Annu. Biochem. 77: 313–38. doi:10,1146 / annurev.biochem.77.061306.123941. PMC 2933818. PMID 18518823.
- ^ Prigent C, Lasko DD, Kodama K, Woodgett JR, Lindahl T (srpen 1992). „Aktivace savčí DNA ligázy I fosforylací kasein kinázou II“. EMBO J.. 11 (8): 2925–33. doi:10.1002 / j.1460-2075.1992.tb05362.x. PMC 556774. PMID 1639065.
- ^ A b „Entrez Gene: LIG1 ligase I, DNA, ATP-dependent“.
- ^ Sriskanda V, Shuman S (leden 1998). „DNA ligáza viru chlorelly: rozpoznávání nicků a mutační analýza“. Nucleic Acids Res. 26 (2): 525–31. doi:10.1093 / nar / 26.2.525. PMC 147278. PMID 9421510.
- ^ Taylor MR, Conrad JA, Wahl D, O'Brien PJ (červenec 2011). „Kinetický mechanismus lidské DNA ligázy I odhaluje změny závislé na hořčíku v kroku omezujícím rychlost, které snižují účinnost ligace“. J. Biol. Chem. 286 (26): 23054–62. doi:10.1074 / jbc.M111.248831. PMC 3123073. PMID 21561855.
- ^ A b Rass U, Ahel I, West SC (březen 2007). „Působení aprataxinu na více způsobů opravy DNA“. J. Biol. Chem. 282 (13): 9469–74. doi:10,1074 / jbc.M611489200. PMID 17276982.
- ^ A b Sattler U, Frit P, Salles B, Calsou P (duben 2003). "Long-patch DNA repair repair during base excision repair in mammalian cells". EMBO Rep. 4 (4): 363–7. doi:10.1038 / sj.embor.embor796. PMC 1319152. PMID 12671676.
- ^ A b Hegde ML, Hazra TK, Mitra S (leden 2008). „První kroky v cestě excize DNA báze / oprava jednovláknového přerušení v savčích buňkách“. Cell Res. 18 (1): 27–47. doi:10.1038 / cr.2008.8. PMC 2692221. PMID 18166975.
- ^ A b Balakrishnan L, Brandt PD, Lindsey-Boltz LA, Sancar A, Bambara RA (květen 2009). „Oprava excize základu dlouhé patche probíhá koordinovanou stimulací komplexu opravy multienzymové DNA“. J. Biol. Chem. 284 (22): 15158–72. doi:10,1074 / jbc.M109,000505. PMC 2685697. PMID 19329425.
- ^ Sun D, Urrabaz R, Nguyen M, Marty J, Stringer S, Cruz E, Medina-Gundrum L, Weitman S (prosinec 2001). "Zvýšená exprese DNA ligázy I u lidských rakovin". Clin. Cancer Res. 7 (12): 4143–8. PMID 11751514.
- ^ Macdonald, Joanne. „Smart DNA: Programming the Molecule of Life for Work and Play [Náhled]“. vědecký Američan. Citováno 2013-02-22.
Další čtení
- Leonhardt H, Cardoso MC (1996). "Cílení a asociace proteinů s funkčními doménami v jádru: nerozpustný roztok". Int. Reverend Cytol. International Review of Cytology. 162B: 303–35. doi:10.1016 / S0074-7696 (08) 62620-0. ISBN 9780123645661. PMID 8557490.
- Tomkinson AE, Mackey ZB (1998). "Struktura a funkce savčích DNA ligáz". Mutat. Res. 407 (1): 1–9. doi:10.1016 / s0921-8777 (97) 00050-5. PMID 9539976.
- Perrigot M, Pierrot-Deseilligny E, Bussel B, Held JP (1976). "[Ochrnutí po radikulografii Dimeru X]". La Nouvelle Presse Médicale. 5 (17): 1120–2. PMID 934827.
- Webster AD, Barnes DE, Arlett CF a kol. (1992). "Zpomalení růstu a imunodeficience u pacienta s mutacemi v genu DNA ligázy I". Lanceta. 339 (8808): 1508–9. doi:10.1016 / 0140-6736 (92) 91266-B. PMID 1351188. S2CID 11874717.
- Barnes DE, Tomkinson AE, Lehmann AR a kol. (1992). „Mutace v genu DNA ligázy I jedince s imunodeficiencí a buněčnou přecitlivělostí na látky poškozující DNA“. Buňka. 69 (3): 495–503. doi:10.1016 / 0092-8674 (92) 90450-Q. PMID 1581963. S2CID 11736507.
- Barnes DE, Kodama K, Tynan K a kol. (1992). "Přiřazení genu kódujícího DNA ligázu I k lidskému chromozomu 19q13.2-13.3". Genomika. 12 (1): 164–6. doi:10.1016 / 0888-7543 (92) 90422-O. PMID 1733856.
- Petrini JH, Huwiler KG, Weaver DT (1991). „Gen divokého typu DNA ligázy I je exprimován v buňkách Bloomova syndromu“. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 88 (17): 7615–9. doi:10.1073 / pnas.88.17.7615. PMC 52352. PMID 1881902.
- Lasko DD, Tomkinson AE, Lindahl T (1990). "Savčí DNA ligázy. Biosyntéza a intracelulární lokalizace DNA ligázy I.". J. Biol. Chem. 265 (21): 12618–22. PMID 2197279.
- Barnes DE, Johnston LH, Kodama K a kol. (1990). "Lidská DNA ligáza I cDNA: klonování a funkční exprese v Saccharomyces cerevisiae". Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 87 (17): 6679–83. doi:10.1073 / pnas.87.17.6679. PMC 54600. PMID 2204063.
- Montecucco A, Savini E, Weighardt F a kol. (1996). „N-koncová doména lidské DNA ligázy I obsahuje signál lokalizace jader a směruje enzym do míst replikace DNA“. EMBO J.. 14 (21): 5379–86. doi:10.1002 / j.1460-2075.1995.tb00222.x. PMC 394647. PMID 7489727.
- Maruyama K, Sugano S (1994). „Oligo-capping: jednoduchá metoda k nahrazení struktury cap eukaryotických mRNA oligoribonukleotidy“. Gen. 138 (1–2): 171–4. doi:10.1016/0378-1119(94)90802-8. PMID 8125298.
- Trask B, Fertitta A, Christensen M a kol. (1993). „Fluorescenční in situ hybridizační mapování lidského chromozomu 19: umístění cytogenetického pásma 540 kosmidů a 70 genů nebo markerů DNA“. Genomika. 15 (1): 133–45. doi:10.1006 / geno.1993.1021. PMID 8432525.
- Petrini JH, Walsh ME, DiMare C a kol. (1996). "Izolace a charakterizace lidského homologu MRE11". Genomika. 29 (1): 80–6. doi:10.1006 / geno.1995.1217. PMID 8530104.
- Bentley D, Selfridge J, Millar JK a kol. (1996). „DNA ligáza I je vyžadována pro erytropoézu jater plodu, ale není nezbytná pro životaschopnost savčích buněk“. Nat. Genet. 13 (4): 489–91. doi:10.1038 / ng0896-489. PMID 8696349. S2CID 20264173.
- Suzuki Y, Yoshitomo-Nakagawa K, Maruyama K a kol. (1997). "Konstrukce a charakterizace cDNA knihovny obohacené o celou délku a 5'-end". Gen. 200 (1–2): 149–56. doi:10.1016 / S0378-1119 (97) 00411-3. PMID 9373149.
- Rossi R, Villa A, Negri C a kol. (1999). „Sekvence zaměřená na replikační továrnu / PCNA-vazebné místo je v G (1) vyžadována ke kontrole stavu fosforylace DNA ligázy I.“ EMBO J.. 18 (20): 5745–54. doi:10.1093 / emboj / 18.20.5745. PMC 1171641. PMID 10523317.
- Matsumoto Y, Kim K, Hurwitz J a kol. (1999). "Rekonstituce proliferace buněčných jaderných antigenů závislých oprav apurinových / apyrimidinových míst s čištěnými lidskými proteiny". J. Biol. Chem. 274 (47): 33703–8. doi:10.1074 / jbc.274.47.33703. PMID 10559261.
- Vispé S, Satoh MS (2000). „DNA repair patch-zprostředkovaná tvorba dvouřetězcových zlomů DNA v lidských buňkách“. J. Biol. Chem. 275 (35): 27386–92. doi:10,1074 / jbc.M003126200. PMID 10827190.