• orgánulo delimitado por la membrana intracelular • nucleoplasma • mitocondria • núcleo • citoplasma
Proceso biológico
• Reparación por escisión de nucleótidos, relleno de huecos de ADN • Recombinación de ADN • Proceso biosintético de ADN • Morfogénesis de la estructura anatómica • Procesamiento de fragmentos de Okazaki involucrado en la replicación mitótica del ADN • Respuesta celular al estímulo de daño del ADN • División celular • Replicación del ADN • Recombinación V (D) J • reparación de desajustes • Ligadura de ADN involucrada en la reparación de ADN • Ciclo celular • Reparación de escisión de nucleótidos acoplada a la transcripción • Reparación de ADN • Reparación de escisión de base • Ligadura de ADN • alargamiento de la hebra rezagada
La ADN ligasa 1 es una enzima que en humanos está codificada por el gen LIG1 . La ADN ligasa I es la única ADN ligasa eucariota conocida que participa tanto en la replicación como en la reparación del ADN, lo que la convierte en la más estudiada de las ligasas .
Contenido
1 descubrimiento
2 Reclutamiento y regulación
3 Función y mecanismo
4 Papel en la reparación de la base dañada
5 Importancia clínica
6 referencias
7 Lecturas adicionales
8 Enlaces externos
Descubrimiento
Se sabía que la replicación del ADN se producía a través de la rotura de la doble hebra de ADN, pero la enzima responsable de ligar las hebras de nuevo y el mecanismo de acción era desconocido hasta que los laboratorios Lehman, Gellert, Richardson y Hurwitz hicieron contribuciones significativas a la descubrimiento de la ADN ligasa en 1967. [5]
ADN ligasa I reparando ADN mellado
Contratación y regulación
El gen LIG1 codifica una enzima de 120 kDa, 919 residuos de longitud, conocida como ADN ligasa I. El polipéptido ADN ligasa I contiene una secuencia N-terminal de replicación dirigida a la fábrica (RFTS), seguida de una secuencia de localización nuclear (NLS), y tres dominios funcionales. [6] Los tres dominios consisten en un dominio de unión al ADN (DBD) N-terminal , nucleotidiltransferasa catalítica (NTasa) y oligonucleótido / oligosacárido C-terminal dominios de unión (OB). Aunque el extremo N del péptido no tiene actividad catalítica, es necesario para la actividad dentro de las células. El extremo N de la proteína contiene una secuencia dirigida a la fábrica de replicación que se utiliza para reclutarla en los sitios de replicación del ADN conocidos como fábricas de replicación.
La activación y el reclutamiento de la ADN ligasa I parecen estar asociados con modificaciones postraduccionales. El dominio N-terminal se completa mediante la fosforilación de cuatro residuos de serina en este dominio, Ser51, Ser76 y Ser91 por quinasa dependiente de ciclina (CDK) y Ser66 por caseína quinasa II (CKII). La fosforilación de estos residuos (Ser66 en particular) se ha demostrado que regulan posiblemente la interacción entre los RFTS al antígeno nuclear de células en proliferación (PCNA) cuando ligasa I se recluta a las fábricas de replicación durante la fase S . [6] [7]Rossi y col. propusieron que cuando se desfosforila Ser66, el RFTS de la ligasa I interactúa con el PCNA, lo que fue confirmado in vitro por Tom et al. Ambos conjuntos de datos proporcionan evidencia plausible de que la región N-terminal de la ligasa I desempeña un papel regulador en la función de las enzimas in vivo en el núcleo. [7] [8] Además, se demostró que la identificación de un motivo de unión a ciclina (Cy) en el dominio catalítico del extremo C-terminal desempeña un papel en la fosforilación de las serinas 91 y 76. Juntas, las serinas N-terminales son sustratos de la CDK y CKII, que parecen desempeñar un importante papel regulador del reclutamiento de la ADN ligasa I a la fábrica de replicación durante la fase S del ciclo celular . [6] [9]
Gen de ADN ligasa I LIG1
Función y mecanismo
LIG1 codifica la ADN ligasa I, que funciona en la replicación del ADN y el proceso de reparación de la escisión de bases . [10]
La ADN ligasa 1 eucariota cataliza una reacción que es químicamente universal para todas las ligasas. La ADN ligasa 1 utiliza trifosfato de adenosina (ATP) para catalizar los eventos de ligación energéticamente favorables tanto en la replicación como en la reparación del ADN . Durante la fase de síntesis ( fase S) del ciclo celular eucariota , se produce la replicación del ADN. La ADN ligasa 1 es responsable de unir los fragmentos de Okazaki formados durante la síntesis discontinua de ADN en la hebra rezagada del ADN después de la ADN polimerasa δha reemplazado los nucleótidos del cebador de ARN con nucleótidos de ADN. Si los fragmentos de Okazaki no se ligan correctamente, el ADN no ligado (que contiene una 'mella') podría degradarse fácilmente a una ruptura de doble hebra , un fenómeno conocido por causar mutaciones genéticas. Para ligar estos fragmentos juntos, la ligasa avanza a través de tres pasos:
Adición de un grupo de monofosfato de adenosina (AMP) a la enzima, lo que se conoce como adenililación,
Transferencia de monofosfato de adenosina al ADN y
Sellado de mellas o formación de enlaces fosfodiéster. [8] [11]
Mecanismo minimalista de sellado de muescas de ADN mediante ADN ligasa
Durante la adenilación , hay un ataque nucleofílico en el alfa fosfato de ATP de una lisina catalítica que resulta en la producción de pirofosfato inorgánico (PPi) y un intermedio de lisina-AMP unido covalentemente en el sitio activo de la ADN ligasa 1.
Durante el paso de transferencia de AMP, la ADN ligasa se asocia con el ADN, localiza una muesca y cataliza una reacción en el sitio de fosfato 5 'de la muesca del ADN. Un oxígeno aniónico en el fosfato 5 'de la muesca del ADN sirve como nucleófilo, atacando el alfa fosfato del AMP unido covalentemente, lo que hace que el AMP sea intermedio unido covalentemente (intermedio ADN-AMP).
Para que se forme el enlace fosfodiéster, el intermedio ADN-AMP debe separarse. Para realizar esta tarea, hay un ataque nucleofílico en el 5'-fosfato del 3'-hidroxilo corriente arriba que da como resultado la formación del enlace fosfodiéster. Durante este ataque nucleofílico, el grupo AMP se expulsa del fosfato 5 'como grupo saliente, lo que permite que la muesca se selle y que se libere el AMP, completando un ciclo de ligación de ADN.
En condiciones subóptimas, la ligasa puede disociarse del ADN antes de que se complete la reacción completa. Se ha demostrado que los niveles de magnesio pueden ralentizar el proceso de sellado de la muesca, provocando que la ligasa se disocie del ADN, dejando un intermedio adenililado abortado incapaz de fijarse sin la ayuda de una fosfodiesterasa . Se ha demostrado que la aprataxina (una fosfodiesterasa) actúa sobre los intermedios de ADN abortados mediante la hidrólisis del enlace AMP-fosfato, restaurando el ADN a su estado inicial antes de que reaccionara la ligasa. [12] [13]
Papel en la reparación de la base dañada
Dos vías para la reparación por escisión de la base (BER)
La ADN ligasa I funciona para ligar roturas de ADN monocatenario en el paso final de la vía de reparación por escisión de bases (BER). [14] Las bases nitrogenadas del ADN son comúnmente dañadas por peligros ambientales como especies reactivas de oxígeno , toxinas y radiación ionizante . BER es la principal vía de reparación responsable de extirpar y reemplazar las bases dañadas. La ligasa I está involucrada en la vía LP-BER, mientras que la ligasa III está involucrada en la vía principal SN-BER (2). [15] LP-BER procede en 4 pasos catalíticos. Primero, una ADN glicosilasa escinde el enlace N-glicosídico , liberando la base dañada y creando un sitio AP, un sitio que carece de unbase de purina o pirimidina . En el siguiente paso, una endonucleasa AP crea una muesca en el extremo 5 'del sitio AP, generando un residuo de desoxirribosa fosfato (dRP) colgante en lugar del sitio AP. La ADN polimerasa luego sintetiza varias bases nuevas en la dirección 5 'a 3', generando un tramo colgante de ADN con el dRP en su extremo 5 '. Es en este paso que SN-BER y LP-BER divergen en el mecanismo: en SNBER, solo se agrega un único nucleótido y la ADN polimerasa actúa como liasa para escindir el sitio AP. En LP-BER, se sintetizan varias bases, generando un colgajo colgante de ADN, que es escindido por una endonucleasa de colgajo . Esto deja una hebra de ADN cortada que es detectada y ligada por la ligasa de ADN. [14] [15][16] La acción de la ligasa I es estimulada por otras enzimas LP-BER, particularmente AP-endonucleasa y ADN polimerasa. [dieciséis]
Significación clínica
Las mutaciones en LIG1 que conducen a una deficiencia de ADN ligasa I dan como resultado inmunodeficiencia y una mayor sensibilidad a los agentes que dañan el ADN. [10]
Hay informes raros de pacientes que presentan deficiencia de ligasa I como resultado de alelos mutantes heredados. El primer caso se manifestó como retraso en el crecimiento y desarrollo e inmunodeficiencia. Se realizó un modelo de ratón basado en líneas celulares derivadas del paciente, confirmando que la ligasa mutante confiere errores de replicación que conducen a inestabilidad genómica . En particular, los ratones mutantes también mostraron aumentos en la tumorigénesis . [8] Se informaron las características moleculares, celulares y clínicas de 5 pacientes de 3 familias con mutaciones bialélicas. Los pacientes presentaban hipogammaglobulinemia, linfopenia, mayor proporción de células γδT circulantes y glóbulos rojos muy grandes (macrocitosis). La gravedad clínica varió desde una deficiencia leve de anticuerpos hasta una inmunodeficiencia combinada que requirió un trasplante de células madre hematopoyéticas. Se demostró que los defectos químicos y de la radiación perjudican las vías de reparación del ADN. Por tanto, los defectos en la ADN ligasa 1 pueden conducir a diferentes formas de deficiencia parcial de ADN ligasa 1 autosómica recesiva que conducen a una inmunodeficiencia de gravedad variable. [17]
También se ha encontrado que la ligasa I está regulada al alza en las células tumorales en proliferación, a diferencia de las líneas de células tumorales benignas y las células humanas normales. Además, se ha demostrado que la inhibición de la expresión de ligasa I en estas células puede tener un efecto citotóxico, lo que sugiere que los inhibidores de ligasa I pueden ser agentes quimioterapéuticos viables. [18]
Las deficiencias en aprataxina , una fosfodiesterasa responsable del reacondicionamiento del ADN (después de que la ADN ligasa I aborta el intermedio de ADN adenilado), se ha relacionado con la neurodegeneración . Esto sugiere que el ADN es incapaz de volver a entrar en la vía de reparación sin una maquinaria de respaldo adicional para corregir los errores de ligasa. [13]
Dado que la estructura del ADN es bien conocida y muchos de los componentes necesarios para su manipulación, reparación y uso se identifican y caracterizan, los investigadores están comenzando a estudiar el desarrollo de maquinaria nanoscópica que se incorporaría a un organismo vivo que poseería la capacidad para tratar enfermedades, combatir el cáncer y liberar medicamentos basados en un estímulo biológico proporcionado por el organismo a la maquinaria nanosópica. Lo más probable es que la ADN ligasa deba incorporarse a dicha máquina. [19]
Referencias
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enlaces externos
Descripción general de toda la información estructural disponible en el PDB para UniProt : P18858 (ADN ligasa 1) en el PDBe-KB .
vtmiEnzimas : éster fosfórico y ligasas de nitrógeno-metal ( EC 6.5-6.6)
