ADN ligasa 1

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La ADN ligasa 1, también conocida como ADN ligasa I, es una enzima codificada por el gen LIG1 en humanos. 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.

Discovery

Se sabía que la replicación del ADN se producía mediante la ruptura de una 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 contribuciones significativas al descubrimiento de la ADN ligasa en 1967.
ADN Ligase Reparación de ADN sintonizado

Contratación y reglamentación

LIG1 codifica una enzima de 120 kDa y 919 residuos de longitud, conocida como ADN ligasa 1. El polipéptido de la ADN ligasa 1 contiene una secuencia de referencia para la fábrica de replicación (RFTS) en el extremo N-terminal, seguida de una secuencia de localización nuclear (NLS) y tres dominios funcionales. Los tres dominios consisten en un dominio de unión al ADN (DBD) en el extremo N-terminal, una nucleotidiltransferasa catalítica (NTasa) y un dominio de unión a oligonucleótidos/oligosacáridos (OB) en el extremo C-terminal. Aunque el extremo N-terminal del péptido no tiene actividad catalítica, es necesario para la actividad celular. El extremo N-terminal de la proteína contiene una secuencia de referencia para la fábrica de replicación que se utiliza para reclutarla a los sitios de replicación del 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 mediante 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 (en particular, Ser66) regula la interacción entre los RFTS y el antígeno nuclear de células proliferantes (PCNA) cuando la ligasa 1 se recluta a las fábricas de replicación durante la fase S. Rossi et al. propusieron que, cuando Ser66 se desfosforila, los RFTS de la ligasa 1 interactúan con el PCNA, lo cual 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 enzimática in vivo en el núcleo. Además, mediante análisis mutacional, se demostró que la identificación de un motivo de unión a ciclina (Cy) en el dominio catalítico C-terminal desempeña un papel en la fosforilación de las serinas 91 y 76. Juntas, las serinas N-terminales son sustratos de CDK y CKII, que parecen desempeñar un importante papel regulador en el reclutamiento de la ADN ligasa I a la fábrica de replicación durante la fase S del ciclo celular.
DNA ligase I LIG1 gene

Función y mecanismo

LIG1 codifica la ADN ligasa 1, que participa en la replicación del ADN y en el proceso de reparación por escisión de bases.

La ADN ligasa 1 eucariota cataliza una reacción químicamente universal para todas las ligasas. 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 se encarga de unir los fragmentos de Okazaki formados durante la síntesis discontinua de ADN en la hebra rezagada, después de que la ADN polimerasa δ haya reemplazado los nucleótidos cebadores del ARN por nucleótidos de ADN. Si los fragmentos de Okazaki no se ligan correctamente, el ADN no ligado (que contiene una muesca) podría degradarse fácilmente hasta romperse en la doble hebra, un fenómeno que se sabe que causa mutaciones genéticas. Para ligar estos fragmentos, la ligasa sigue tres pasos:
  1. Adición de un grupo monofosfato adenosino (AMP) a la enzima, denominado adenilación,
  2. Transferencia de monofosfato adenosina al ADN y
  3. Nick sellado, o formación de enlaces de fósforo.
Mecanismo minimalista de sellado de nick de ADN por ligase de ADN

Durante la adenililación, se produce un ataque nucleofílico al fosfato alfa del ATP de una lisina catalítica, lo que resulta en la producción de pirofosfato inorgánico (PPi) y un intermediario lisina-AMP unido covalentemente en el sitio activo de la ADN ligasa 1.

Durante la transferencia de AMP, la ADN ligasa se asocia con el ADN, localiza una muesca y cataliza una reacción en el sitio fosfato 5' de la muesca de ADN. Un oxígeno aniónico en el fosfato 5' de la muesca de ADN actúa como nucleófilo, atacando el fosfato alfa del AMP unido covalentemente, lo que provoca que el AMP se convierta en un intermediario unido covalentemente (intermediario ADN-AMP).Para que se forme el enlace fosfodiéster, es necesario escindir el intermediario ADN-AMP. Para lograrlo, se produce un ataque nucleofílico sobre el fosfato 5' desde el hidroxilo 3' aguas arriba, lo que resulta en la formación del enlace fosfodiéster. Durante este ataque nucleofílico, el grupo AMP se separa del fosfato 5' como grupo saliente, lo que permite sellar la muesca y liberar el AMP, completando así un ciclo de ligadura del ADN.En condiciones subóptimas, la ligasa puede disociarse del ADN antes de que la reacción se complete. Se ha demostrado que los niveles de magnesio pueden ralentizar el proceso de sellado de la mella, provocando 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 los intermediarios de ADN abortados mediante la hidrólisis del enlace AMP-fosfato, restaurando el ADN a su estado inicial antes de que la ligasa reaccionara.

Papel en la reparación de la base dañada

Dos vías para la reparación de la precisión de base (BER)
La ADN ligasa 1 liga las roturas del ADN monocatenario en el paso final de la vía de reparación por escisión de bases (BER). Las bases nitrogenadas del ADN suelen dañarse por factores ambientales como las especies reactivas de oxígeno, las toxinas y la radiación ionizante. La BER es la principal vía de reparación, responsable de la escisión y el reemplazo de las bases dañadas. La ligasa I participa en la vía LP-BER, mientras que la ligasa III participa en la principal vía SN-BER(2). La LP-BER se desarrolla en cuatro 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 púrica o pirimidínica). En el siguiente paso, una endonucleasa AP crea una muesca en el extremo 5' del sitio AP, generando un residuo colgante de desoxirribosa fosfato (dRP) en lugar del sitio AP. A continuación, la ADN polimerasa sintetiza varias bases nuevas en el extremo 5'. En dirección 3', generando un tramo colgante de ADN con la dRP en su extremo 5'. Es en este paso donde el mecanismo de SN-BER y LP-BER difiere: en SNBER, solo se añade un 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 mellada que es detectada y ligada por la ADN ligasa. La acción de la ligasa 1 es estimulada por otras enzimas LP-BER, en particular la AP-endonucleasa y la ADN polimerasa.

Significado clínico

Las mutaciones en LIG1 que conducen a una deficiencia de la ADN ligasa 1 resultan en inmunodeficiencia y una mayor sensibilidad a los agentes que dañan el ADN.Existen informes poco frecuentes de pacientes con deficiencia de ligasa 1, resultado de alelos mutantes heredados. El primer caso se manifestó con retraso en el crecimiento y desarrollo, e inmunodeficiencia. Se creó un modelo murino 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 un aumento en la tumorogénesis. Se reportaron las características moleculares, celulares y clínicas de 5 pacientes de 3 familias con mutaciones bialélicas. Los pacientes presentaron hipogammaglobulinemia, linfopenia, aumento de la proporción de células T γδ circulantes y eritrocitos 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 radiactivos afectan las vías de reparación del ADN. Por lo tanto, los defectos en la ADN ligasa 1 pueden dar lugar a diferentes formas de deficiencia parcial autosómica recesiva de la ADN ligasa 1, lo que resulta en una inmunodeficiencia de gravedad variable.También se ha observado una sobreexpresión de la ligasa I en células tumorales en proliferación, a diferencia de las líneas celulares tumorales benignas y las células humanas normales. Además, se ha demostrado que la inhibición de la expresión de la ligasa I en estas células puede tener un efecto citotóxico, lo que sugiere que los inhibidores de la ligasa I podrían ser agentes quimioterapéuticos viables.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 reingresar a la vía de reparación sin mecanismos de respaldo adicionales para corregir los errores de la ligasa.Dado que la estructura del ADN es bien conocida y muchos de los componentes necesarios para su manipulación, reparación y uso se están identificando y caracterizando, los investigadores están comenzando a estudiar el desarrollo de maquinaria nanoscópica que se incorporaría a un organismo vivo y que tendría la capacidad de tratar enfermedades, combatir el cáncer y liberar medicamentos basándose en un estímulo biológico proporcionado por el organismo a la maquinaria nanoscópica. Es muy probable que la ADN ligasa deba incorporarse a dicha máquina.

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