DNA-Ligase

Wird in der DNA eine einzelsträngige Lücke durch Polymerasen aufgefüllt, so geschieht dies immer durch einen nukleophilen Angriff des vorhergehenden Nukleotids auf das neu einzusetzende Nukleotid. Es kommt zur Ausbildung einer Phosphodiesterbindung zwischen dem 3'-OH und dem α-Phosphat des Nukleosidtriphosphats. Dies bedeutet aber auch, dass das letzte polymerisierte Nukleotid keine kovalente Bindung mit dem darauffolgenden, bereits eingesetzten Nukleotid ausbilden kann. Das DNA-Rückgrat ist an dieser Stelle unterbrochen. Diese Lücke wird durch die DNA-Ligasen verknüpft.

• Eukaryoten:
  • DNA-Ligase I (LIG1)
  • DNA-Ligase III (LIG3)
  • DNA-Ligase IV (LIG4)
• Prokaryoten:
  • DNA-Ligase (lig)
• Viren:
  • T4-DNA-Ligase
  • T7-DNA-Ligase

Durch fehlerhafte Extraktionsmethoden wurde irrtümlich auch eine DNA-Ligase II identifiziert. Spätere Analysen ergaben jedoch, dass es sich dabei um ein proteolytisches Fragment der DNA-Ligase III handelt, das vom selben Gen (LIG3) kodiert wird. Eine eigenständige Funktion dieses Fragments wurde bisher nicht eindeutig nachgewiesen.^[1]

In Eukaryoten sind alle DNA-Ligasen ATP-abhängig. Dies gilt ebenso für virale und archaeale Ligasen. Prokaryotische (bakterielle) DNA-Ligasen sind dagegen meist NAD⁺-abhängig. Der katalysierte Mechanismus ist bei allen Ligasen identisch. Prinzipiell muss der freie 5'-Terminus so modifiziert werden, dass er nukleophil angegriffen werden kann. Dies geschieht durch eine temporäre Übertragung eines Adenosinmonophosphats, das durch den Angriff wieder abgespalten wird. Der Reaktionsmechanismus besteht aus folgenden drei Schritten:

1. Adenosinmonophosphat wird von ATP oder NAD⁺ auf das aktive Zentrum der Ligase übertragen.
2. Es wird nun kovalent an den freien 5'-Phosphat-Terminus übertragen.
3. Das 5'-Ende ist nun aktiviert und kann durch das 3'-OH-Ende angegriffen werden. Dadurch kommt es zur Ausbildung der Phosphodiesterbindung und zur Abspaltung des Adenosinmonophosphats.

Da der AMP-Ligase-Komplex sehr stabil ist, gilt es als wahrscheinlich, dass dieser Schritt bereits weit vor den anderen Reaktionen stattfindet und die meisten Ligasen adenyliert vorliegen. Es kann auch zu einer fehlerhaften Ligation kommen: Hier liegt der 5'-Terminus bereits adenyliert vor, obwohl das 3'-OH noch nicht verfügbar ist. In diesem Fall entfernt in Eukaryoten das Protein Aprataxin das AMP.^[2]

Die DNA-Ligase I verknüpft während der Replikation die Okazaki-Fragmente.

Die DNA-Ligase III wird in der Einzelstrangbruch- und Basenexzisionsreparatur rekrutiert und wurde bisher nur in Vertebraten nachgewiesen. Vom LIG3-Gen werden durch alternatives Splicing und alternative Translation mehrere, unterschiedlich lokalisierte Varianten gebildet – unter anderem eine nukleäre und eine mitochondriale Form der Ligase IIIα sowie die keimzellspezifische Ligase IIIβ.^[1]

Die DNA-Ligase IV verknüpft die Stränge in der Nicht-homologen Endverknüpfung. Diese Funktion übt sie auch analog in der V(D)J-Rekombination aus.

Die DNA-Ligase ist die einzige Ligase in E. coli und übernimmt sowohl Funktionen in der Replikation als auch in der DNA-Reparatur.

Besonders die viralen DNA-Ligasen (beispielsweise die T4-DNA-Ligase) werden standardmäßig in molekularbiologischen Laboren in der Klonierung verwendet. Sie können blunt ends oder sticky ends verknüpfen, was eine gezielte Kontrolle des Ligierungsprozesses erlaubt.

Defekte der DNA-Ligasen sind mit Erbkrankheiten assoziiert. Hypomorphe Mutationen im LIG4-Gen verursachen das LIG4-Syndrom, das durch Mikrozephalie, Wachstums- und Entwicklungsstörungen, ausgeprägte Strahlenempfindlichkeit und Immundefizienz gekennzeichnet ist. Ursache ist eine gestörte Nicht-homologe Endverknüpfung und damit eine beeinträchtigte V(D)J-Rekombination.^[3]

• Klug WS et al. Concepts of Genetics. 10. Aufl. Pearson Education; 2012.