دی‌ان‌ای لیگاز (DNA ligase)

امواج موبایل
آسیب مغزی حاصل از ۳۰ دقیقه قرار گرفتن روزانه در معرض امواج موبایل
خرداد ۲۴, ۱۳۹۸
گهواره دریایی یا کیتون
گهواره دریایی یا کیتون
خرداد ۲۴, ۱۳۹۸
DNA لیگاز در حال ترمیم آسیب DNA کروموزومی

DNA لیگاز در حال ترمیم آسیب DNA کروموزومی

دی‌ ان ای لیگاز، نوع خاصی از آنزیم لیگاز است که اتصال رشته­های DNA به یکدیگر را توسط کاتالیز پیوند فسفو­دی­استر، تسهیل می­کند. این آنزیم در تعمیر شکست­ها در مناطقی از DNAی دورشته ای که تک رشته ای شده است نقش دارد، اما بعضی اَشکال آن (مثل دی ان ای لیگاز IV) ممکن است به­طور ویژه شکست­های DNA دو­رشته­ای را ترمیم کند.

به منظور ترمیم شکست های تک رشته ای، از رشته مکمل به عنوان الگو استفاده می شود. سپس دی ان ای لیگاز وارد عمل شده و آخرین پیوند فسفو­دی­استر را ایجاد می­کند تا ترمیم DNA تکمیل شود(۱).

دی ان ای لیگاز هم در مکانیسم ترمیم DNA و هم در مکانیسم تکثیر DNA مورد استفاده قرار می­گیرد. به علاوه، به وفور در آزمایشگاه­های زیست­شناسی مولکولی به منظور تولید DNA نوترکیب کاربرد دارد. از دی ان ای لیگاز خالص­شده در کلونینگ ژن برای اتصال مولکول­های DNA به یکدیگر به منظور تشکیل DNA نوترکیب استفاده می شود.

اولین دی ان ای لیگاز در سال ۱۹۶۷ خالص­سازی و معرفی شد. متداول­ترین دی­ان­ای لیگازهای تجاری از باکتریوفاژ T4، E.coli و باکتری­های دیگر گرفته شده اند(۶).

مکانیسم لیگاز

مکانیسم دی ان ای لیگاز، تشکیل دو پیوند کووالانسی فسفو­دی­استر بین انتهای ´۳ هیدروکسیل از یک نوکلئوتید (“گیرنده”)، با انتهای ´۵ فسفات دیگر (“دهنده”) است. لیگاز برای اینکه بتواند نقش خود را ایفا کند، به ATP نیاز دارد که طی ۴ مرحله فراهم می­شود:

  • سازماندهی مجدد جایگاه های فعالیت مانند حفره های موجود در قطعات DNA یا قطعات اکازاکی
  • آدنیلاسیون یک باقی مانده لیزین در جایگاه فعال آنزیم، که این باعث آزاد شدن پیرو­فسفات می­شود
  • انتقال AMP به فسفات ´۵ دهنده که در نتیجه آن یک پیوند پیروفسفات تشکیل می شود
  • تشکیل یک پیوند فسفو­دی­استر بین فسفات ´۵ دهنده و هیدروکسیل ´۳ گیرنده.

لیگاز، اتصال انتهاهای صاف (blunt end) را نیز کاتالیز می کند؛ هرچند غلظت­های زیاد آنزیم و واکنش­های مختلفی مورد نیاز است(۲).

تصویری شماتیک از چگونگی فعالیت لیگاز (با انتهای چسبنده)

تصویری شماتیک از چگونگی فعالیت لیگاز (با انتهای چسبنده)

انواع لیگاز­ها

DNA لیگاز E. coli

دی ان ای لیگاز باکتری E.coli توسط ژن lig کدگذاری می­شود. دی ان ای لیگاز در E.coli و همچنین بسیاری از پروکاریوت­ها، از انرژی به­دست آمده توسط شکستن دی­نوکلئوتید آدنین نیکوتین آمید (NAD) برای ایجاد پیوند فسفو­دی­استر استفاده می­کنند(۳). این لیگاز توانایی بستن انتهاهای صاف (blunt) DNA را جز در شرایط ازدحام مولکولی با پلی­اتیلن گلیکول ندارد و علاوه بر این نمی­تواند RNA را به­طور کارآمدی به DNA متصل کند.

دی ان ای لیگاز T4

DNA لیگاز باکتریوفاژ T4 معمول­ترین لیگازی است که در آزمایشگاه­های تحقیقاتی مورد استفاده قرار می گیرد(۴). این لیگاز می­تواند انتهای چسبنده­ی DNA، الیگونوکلئوتیدها و همچنین هیبریدهای RNA و RNA-DNA را ببندد، اما اسید‌نوکلئیک تک‌رشته‌ای را نه. همچنین می­تواند انتهاهای صاف DNA را با کارآمدی بیشتری از دی ان ای لیگاز E.coli مسدود کند. بر­خلاف دی ان ای لیگاز E.coli، DNA لیگاز T4 نمی­تواند NAD را مورد استفاده قرار دهد و برای فعالیت نیاز به ATP (به عنوان یک کوفاکتور) دارد(۵).

لیگاز­های پستانداران

در پستانداران چهار نوع خاص از لیگاز وجود دارد: دی ان ای لیگاز یک، دو،سه و چهار. دی ان ای لیگاز یوکاریوت­ها و برخی میکروب­ها از آدنوزین تری فسفات (ATP) به جای NAD استفاده می کند(۳).

لیگاز­های مقاوم به حرارت

لیگاز­هایی از باکتری­های گرما­دوست مختلف، کلون و توالی­یابی شده­اند و به دلیل خواص مقاوم به حرارتی که دارند کاربردهای تجاری یافته اند.

 

 

کاربرد دی­ان­ای لیگاز در تحقیقات زیست­شناسی مولکولی

دی ان ای لیگازها ابزارهای ضروری در تحقیقات زیست­شناسی مولکولی مدرن برای ایجاد توالی­های DNA نوترکیب هستند. برای مثال، دی ان ای لیگازها به همراه آنزیم­های محدودکننده برای ورود قطعات DNA( اغلب ژن­ها) به درون پلاسمیدها استفاده می­شوند.

 

منابع:

  1. Pascal JM, O’Brien PJ, Tomkinson AE, Ellenberger T (November 2004). “Human DNA ligase I completely encircles and partially unwinds nicked DNA”. Nature. 432 (7016): 473–۸٫ doi:1038/nature03082. PMID15565146.
  2. Lehman IR (November 1974). “DNA ligase: structure, mechanism, and function”. Science. 186 (4166): 790–۷٫ doi:1126/science.186.4166.790. PMID4377758.
  3. Foster JB, Slonczewski J (2010). Microbiology: An Evolving Science (Second ed.). New York: W. W. Norton & Company. ISBN0-393-93447-0.
  4. Enzyme Resources Guide. Promega Corporation. pp. ۸–۱۴٫
  5. Wilson RH, Morton SK, Deiderick H, Gerth ML, Paul HA, Gerber I, Patel A, Ellington AD, Hunicke-Smith SP, Patrick WM (July 2013). “Engineered DNA ligases with improved activities in vitro”. Protein Eng. Des. Sel. 26 (7): 471–۸٫ doi:1093/protein/gzt024. PMID23754529.
  6. Weiss B, Richardson CC (April 1967). “Enzymatic breakage and joining of deoxyribonucleic acid, I. Repair of single-strand breaks in DNA by an enzyme system from Escherichia coli infected with T4 bacteriophage”. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 57 (4): 1021–۸٫ doi:1073/pnas.57.4.1021. PMC224649. PMID ۵۳۴۰۵۸۳.
Free WordPress Themes