
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)
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:
- 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.
- Lehman IR (November 1974). “DNA ligase: structure, mechanism, and function”. Science. 186 (4166): 790–۷٫ doi:1126/science.186.4166.790. PMID4377758.
- Foster JB, Slonczewski J (2010). Microbiology: An Evolving Science (Second ed.). New York: W. W. Norton & Company. ISBN0-393-93447-0.
- Enzyme Resources Guide. Promega Corporation. pp. ۸–۱۴٫
- 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.
- 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.