Ligasa de ADN 1
Gen codificador de proteínas en la especie Homo sapiens

LIG1
Estructuras disponibles
APBúsqueda de ortólogos: PDBe RCSB
Identificadores
AliasLIG1 , ADN ligasa 1, LIGI, hLig1, IMD96
Identificaciones externasOMIM : 126391; MGI : 101789; HomoloGene : 197; Tarjetas genéticas : LIG1; OMA :LIG1 - ortólogos
Ortólogos
EspeciesHumanoRatón
Entre

3978

16881

Conjunto

ENSG00000105486

ENSMUSG00000056394

Protección unificada

P18858

P37913

RefSeq (ARNm)

NM_000234
NM_001289063
NM_001289064
NM_001320970
NM_001320971

NM_001083188
NM_001199310
NM_010715

RefSeq (proteína)

NP_000225
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NP_001275993
NP_001307899
NP_001307900

NP_001076657
NP_001186239
NP_034845

Ubicación (UCSC)Crónicas 19:48.12 – 48.17 MbCrónicas 7: 13.01 – 13.05 Mb
Búsqueda en PubMed[3][4]
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La ADN ligasa 1, también ADN ligasa I , es una enzima que en los humanos está codificada por el gen LIG1 . La ADN ligasa 1 es la única ADN ligasa eucariota conocida implicada tanto en la replicación como en la reparación del ADN , lo que la convierte en la más estudiada de las ligasas .

Descubrimiento

Se sabía que la replicación del ADN se producía a través de una rotura de doble cadena , pero la enzima responsable de volver a unir las cadenas y su mecanismo de acción eran desconocidos hasta que los laboratorios Lehman, Gellert, Richardson y Hurwitz hicieron importantes contribuciones al descubrimiento de la ADN ligasa en 1967. [5]

La ligasa I del ADN repara el ADN cortado

Reclutamiento y regulación

LIG1 codifica una enzima de 120 kDa, de 919 residuos de longitud, conocida como ADN ligasa 1. El polipéptido ADN ligasa 1 contiene una secuencia de dirección de fábrica de replicación N-terminal (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 N-terminal (DBD), una nucleotidiltransferasa catalítica (NTasa) y dominios de unión a oligonucleótidos / oligosacáridos (OB) C-terminales . Aunque el extremo N-terminal del péptido no tiene actividad catalítica, es necesario para la actividad dentro de las células. El extremo N-terminal de la proteína contiene una secuencia de dirección de fábrica de replicación que se utiliza para reclutarla a sitios de replicación de ADN conocidos como fábricas de replicación.

La activación y el reclutamiento de la ADN ligasa 1 parecen estar asociados con modificaciones postraduccionales. El dominio N-terminal se completa a través de la fosforilación de cuatro residuos de serina en este dominio, Ser51, Ser76 y Ser91 por la quinasa dependiente de ciclina (CDK) y Ser66 por la caseína quinasa II (CKII). Se ha demostrado que la fosforilación de estos residuos (Ser66 en particular) posiblemente regula la interacción entre el RFTS y el antígeno nuclear de la célula proliferante (PCNA) cuando la ligasa 1 se recluta a las fábricas de replicación durante la fase S. [6] [7] Rossi et al. propusieron que cuando Ser66 se desfosforila, el RFTS de la ligasa 1 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 in vivo de las enzimas en el núcleo. [7] [8] Además, se demostró mediante análisis mutacional que la identificación de un motivo de unión a ciclina (Cy) en el dominio catalítico del extremo C desempeña un papel en la fosforilación de las serinas 91 y 76. Juntas, las serinas del extremo N son sustratos de CDK y CKII, que parecen desempeñar un papel regulador importante en el reclutamiento de la ADN ligasa I a la fábrica de replicación durante la fase S del ciclo celular . [6] [9]

Gen LIG1 de la ligasa I del ADN

Función y mecanismo

LIG1 codifica la ADN ligasa 1, que funciona en la replicación del ADN y en el proceso de reparación por 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 ligadura 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 de ADN discontinua en la hebra rezagada del ADN después de que la ADN polimerasa δ haya reemplazado los nucleótidos cebadores del 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 hasta una rotura de doble hebra , un fenómeno que se sabe que causa mutaciones genéticas. Para ligar estos fragmentos, la ligasa progresa a través de tres pasos:

  1. La adición de un grupo monofosfato de adenosina (AMP) a la enzima, denominada adenililación,
  2. Transferencia de monofosfato de adenosina al ADN y
  3. Sellado de niquel, o formación de enlaces fosfodiéster. [8] [11]
Mecanismo minimalista de sellado de muescas de ADN por la ligasa de ADN

Durante la adenililación , se produce un ataque nucleofílico al fosfato alfa del ATP de una lisina catalítica que da como resultado la producción de pirofosfato inorgánico (PPi) y un intermediario 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 sitio de fosfato 5' de la muesca del ADN actúa como nucleófilo, atacando el fosfato alfa del AMP unido covalentemente, lo que hace que el AMP sea un intermediario unido covalentemente (intermediario ADN-AMP).

Para que se forme el enlace fosfodiéster, el intermediario ADN-AMP debe ser escindido. Para lograr esta tarea, se produce un ataque nucleofílico sobre el fosfato 5' desde el hidroxilo 3' aguas arriba, lo que da como resultado la formación del enlace fosfodiéster. Durante este ataque nucleofílico, el grupo AMP es expulsado del fosfato 5' como grupo saliente, lo que permite que la muesca se selle y se libere el AMP, completando así un ciclo de ligadura del 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, lo que hace que la ligasa se disocie del ADN, dejando un intermediario adenililado abortado incapaz de ser fijado sin la ayuda de una fosfodiesterasa . Se ha demostrado que la aprataxina (una fosfodiesterasa) actúa sobre intermediarios de ADN abortados a través de la hidrólisis del enlace AMP-fosfato, restaurando el ADN a su estado inicial antes de que la ligasa hubiera reaccionado. [12] [13]

Papel en la reparación de la base dañada

Dos vías para la reparación por escisión de la base (BER)

La ADN ligasa 1 funciona para ligar las roturas de ADN monocatenario en el paso final de la vía de reparación por escisión de bases (BER). [14] Las bases nitrogenadas del ADN suelen dañarse por peligros ambientales como especies reactivas de oxígeno , toxinas y radiación ionizante . BER es la principal vía de reparación responsable de escindir y reemplazar las bases dañadas. La ligasa I está involucrada en la vía LP-BER, mientras que la ligasa III está involucrada en la principal vía SN-BER (2). [15] LP-BER procede en 4 pasos catalíticos. Primero, una ADN glicosilasa escinde el enlace N-glucosídico , liberando la base dañada y creando un sitio AP, un sitio que carece de una base 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 fosfato de desoxirribosa (dRP) colgante en lugar del sitio AP. La ADN polimerasa 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 mecanismo: en SNBER, solo se agrega un único nucleótido y la ADN polimerasa actúa como una liasa para escindir el sitio AP. En LP-BER, se sintetizan varias bases, generando un colgajo colgante de ADN, que es cortado por una endonucleasa de colgajo . Esto deja atrás una cadena de ADN mellada que es detectada y ligada por la ADN ligasa. [14] [15] [16] La acción de la ligasa 1 es estimulada por otras enzimas LP-BER, particularmente la AP-endonucleasa y la ADN polimerasa. [16]

Importancia clínica

Las mutaciones en LIG1 que conducen a una deficiencia de la ADN ligasa 1 resultan en inmunodeficiencia y mayor sensibilidad a los agentes que dañan el ADN. [10]

Existen informes raros de pacientes que presentan deficiencia de ligasa 1 que resultó de alelos mutantes heredados. El primer caso se manifestó como retraso en el crecimiento y desarrollo y una inmunodeficiencia. Se creó un modelo de ratón basado en líneas celulares derivadas del paciente, lo que confirmó que la ligasa mutante confiere errores de replicación que conducen a inestabilidad genómica . Cabe destacar que 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 exhibieron hipogammaglobulinemia, linfopenia, mayores proporciones 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 trasplante de células madre hematopoyéticas. Se demostró que los defectos químicos y de radiación perjudican las vías de reparación del ADN. Los defectos en la ADN ligasa 1 pueden conducir a diferentes formas de deficiencia parcial autosómica recesiva de la ADN ligasa 1 que conducen a una inmunodeficiencia de gravedad variable. [17]

También se ha descubierto que la ligasa I está regulada positivamente en células tumorales en proliferación, a diferencia de las líneas celulares tumorales benignas y las células humanas normales. Además, se ha demostrado que inhibir la expresión de la ligasa I en estas células puede tener un efecto citotóxico, lo que sugiere que los inhibidores de la ligasa I pueden ser agentes quimioterapéuticos viables. [18]

Las deficiencias de aprataxina , una fosfodiesterasa responsable del reacondicionamiento del ADN (después de que la ADN ligasa I anula el intermediario del ADN adenililado), se han vinculado con la neurodegeneración . Esto sugiere que el ADN es incapaz de volver a ingresar a la vía de reparación sin una maquinaria de respaldo adicional para corregir los errores de la ligasa. [13]

Ahora que se conoce bien la estructura del ADN y se han identificado y caracterizado muchos de los componentes necesarios para su manipulación, reparación y uso, los investigadores están empezando a estudiar el desarrollo de maquinaria nanoscópica que se incorporaría a un organismo vivo que tendría la capacidad de tratar enfermedades, combatir el cáncer y liberar medicamentos en función de un estímulo biológico proporcionado por el organismo a la maquinaria nanoscópica. Lo más probable es que se debiera incorporar la ligasa del ADN a una máquina de este tipo. [19]

Referencias

  1. ^ abc GRCh38: Lanzamiento de Ensembl 89: ENSG00000105486 – Ensembl , mayo de 2017
  2. ^ abc GRCm38: Lanzamiento de Ensembl 89: ENSMUSG00000056394 – Ensembl , mayo de 2017
  3. ^ "Referencia de PubMed humana:". Centro Nacional de Información Biotecnológica, Biblioteca Nacional de Medicina de EE. UU .
  4. ^ "Referencia PubMed de ratón:". Centro Nacional de Información Biotecnológica, Biblioteca Nacional de Medicina de EE. UU . .
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Lectura adicional

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  • Resumen de toda la información estructural disponible en el PDB para UniProt : P18858 (ADN ligasa 1) en PDBe-KB .
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