LIG1

DNAリガーゼI (LIG1)について

DNAリガーゼIは、ヒトでは_LIG1_遺伝子によってその情報がコードされている酵素です。この酵素は、真核生物におけるDNAの複製プロセスや、損傷を受けたDNAを修復する過程において、切断されたDNA鎖をつなぎ合わせる（ライゲーション）という極めて重要な働きを担っています。現在知られている真核生物型のDNAリガーゼの中で、DNA複製と修復の両方に関与する唯一のタイプであり、そのため最も詳細な研究が進められています。

発見の経緯

DNAが複製される際に、DNA二本鎖に一時的な切断が生じることが知られていましたが、切断された鎖を再び結合させる酵素の存在や、その具体的な働きについては長らく不明でした。画期的な研究貢献により、1967年にLehman、Gellert、Richardson、Hurwitzといった研究者たちのグループによって、このDNAリガーゼが初めて発見されました。

分子構造とその調節

DNAリガーゼIは、約120キロダルトン（kDa）の分子量を持つ、919個のアミノ酸残基から構成されるタンパク質です。その構造は、N末端側に位置する複製工場標的化配列（RFTS）と核局在化配列、そして3つの機能的なドメインから成り立っています。機能ドメインは、N末端から順にDNA結合ドメイン（DBD）、触媒活性を持つヌクレオチジルトランスフェラーゼ（NTase）ドメイン、そしてC末端側のオリゴヌクレオチド/オリゴ糖結合（OB）ドメインです。N末端部分は酵素としての直接的な触媒活性はありませんが、細胞内のDNA複製が行われる特定の場所、通称「複製工場」へ酵素を誘導するRFTSを含んでおり、その正確な局在化に不可欠な役割を果たします。

DNAリガーゼIの酵素活性や複製工場への正確な配置は、タンパク質の翻訳後に加えられる化学修飾、特にリン酸化によって細かく制御されています。N末端領域にある複数のセリン残基がリン酸化の標的となります。具体的には、Ser51、Ser76、Ser91はサイクリン依存性キナーゼ（CDK）によって、Ser66はカゼインキナーゼ2（CK2）によってリン酸化されます。特にSer66のリン酸化状態が、RFTSとPCNA（増殖細胞核抗原、DNA複製に必須のタンパク質）との相互作用に関わることが示唆されており、これが核内でのDNAリガーゼIの機能調節に重要な役割を担っていると考えられています。また、触媒を担うC末端ドメインにはサイクリン結合モチーフ（Cyモチーフ）が存在し、これがN末端側のSer76およびSer91のリン酸化に関与することが実験的に明らかになっています。これらのリン酸化修飾は、細胞周期のS期（DNA複製期）において、DNAリガーゼIが複製工場へ効率的に動員され、正確に機能するための調節機構として機能しているようです。

主な機能と反応機構

DNAリガーゼIは、主にDNA複製プロセスと塩基除去修復（BER）経路において機能します。真核生物のDNAリガーゼIが行う化学反応は、他のタイプのリガーゼとも共通しており、切断されたDNA鎖の間に新たなホスホジエステル結合を形成することで、DNAの連続性を回復させます。この反応にはエネルギーが必要であり、DNAリガーゼIはアデノシン三リン酸（ATP）を加水分解することで得られるエネルギーを利用します。

DNA複製は細胞周期のS期に行われます。DNAのラギング鎖の合成では、DNAポリメラーゼδによって短く不連続なDNA断片（岡崎フラグメント）が合成されます。これらのフラグメントの間には隙間（ニック）が存在し、RNAプライマーがDNAに置き換えられた後に、DNAリガーゼIがこれらを連結する役割を担います。岡崎フラグメントの連結が適切に行われず、DNA鎖にニックが残存すると、容易にDNA二本鎖の切断を引き起こし、遺伝情報の変異につながるリスクが高まります。

DNAリガーゼIによるライゲーション反応は、以下の3つの段階を経て進行します。
1. アデニリル化: 酵素自身がATPからアデノシン一リン酸（AMP）を受け取り、活性部位のリジン残基に共有結合させます。これにより、酵素-AMP複合体が形成され、無機ピロリン酸が遊離します。
2. AMPの転移: 酵素-AMP複合体がDNAのニック部位に結合し、ニックの5'側のリン酸基に結合していた酸素原子が、酵素に結合したAMPのリン酸基を攻撃します。これにより、AMPが酵素から離れてDNAの5'側のリン酸基に転移し、DNA-AMP中間体が形成されます。
3. ニックの閉鎖（ニックシーリング）: DNA-AMP中間体において、ニックの上流側の3'側の水酸基が、AMPが結合している5'側のリン酸基を攻撃します。この求核攻撃によってホスホジエステル結合が形成され、同時にAMPが遊離することでニックが閉じられ、DNA鎖の連結が完了します。

最適な環境条件下でない場合、例えばマグネシウムイオンの濃度が低いといった状況では、ライゲーション反応が最後まで進行する前にリガーゼがDNAから解離してしまうことがあります。この際、DNAにはAMPが結合した中間体（アデニリル化DNA）が残されてしまいます。このような未修復の中間体は、ホスホジエステラーゼと呼ばれる酵素の助けを借りなければ解消されません。特にアプラタキシンというホスホジエステラーゼは、この中断されたDNA中間体に作用し、AMPとリン酸の結合を加水分解することで、リガーゼが反応する前の状態に戻す機能を持つことが示されています。

損傷塩基修復における役割

DNAリガーゼIは、細胞が日常的に経験するDNA損傷、特に活性酸素種や環境中の化学物質、放射線などによって生じる塩基の損傷を修復する主要な経路である塩基除去修復（BER）の最終段階でも機能します。BER経路の中でも、比較的長いDNA領域を合成し直すロングパッチBER（LP-BER）において、損傷によって生じた一本鎖のニックを閉鎖する役割を担います。一方、リガーゼIIIは主にショートパッチBER（SN-BER）に関与します。

LP-BERは複数の酵素が連携して働きます。まず、損傷した塩基はDNAグリコシラーゼによって除去され、AP部位と呼ばれる塩基のない領域ができます。次に、APエンドヌクレアーゼがそのAP部位の5'側にニックを入れます。LP-BERでは、その後DNAポリメラーゼが新しいDNA鎖を合成し、5'末端に剥がれたDNAの「フラップ」を形成します。このフラップはフラップエンドヌクレアーゼによって正確に切断され、その結果生じたニックを、DNAリガーゼIが認識してライゲーションすることで修復が完了します。リガーゼIの働きは、LP-BER経路に関わるAPエンドヌクレアーゼやDNAポリメラーゼといった他の酵素と協調することで効率的に行われます。

臨床的な重要性

_LIG1_遺伝子に変異が生じ、DNAリガーゼIの機能が損なわれると、免疫系の異常や、DNAを損傷させる薬剤に対する感受性が高まるといった臨床的な問題を引き起こすことが知られています。これまでに確認されているDNAリガーゼI欠乏症の症例は非常に稀であり、遺伝性の変異によるものです。この欠乏症の患者さんでは、成長の遅れや免疫不全といった症状が見られます。患者由来の細胞を用いた研究から作製されたマウスモデルでは、機能不全のリガーゼがDNA複製時にエラーを誘発し、ゲノムの不安定性を引き起こすことが確認されています。さらに、これらの変異を持つマウスでは、腫瘍の発生率が増加することも報告されています。

興味深いことに、DNAリガーゼIは、正常な細胞や良性の腫瘍細胞と比較して、活発に増殖している悪性腫瘍細胞でその発現量が増加していることが見出されています。また、これらの腫瘍細胞でDNAリガーゼIの働きを阻害すると、細胞の生存に影響を与える（細胞毒性を示す）ことが確認されており、DNAリガーゼIを標的とした薬剤ががん治療薬として応用できる可能性が示唆されています。

前述の、DNAリガーゼIの反応中断によって生じるアデニリル化DNA中間体の修復に関わるホスホジエステラーゼ、アプラタキシンの機能欠損が神経変性疾患と関連していることも指摘されています。これは、DNAリガーゼが正常に機能しない場合や、その反応に不具合が生じた場合に、それを修復するバックアップ機構（アプラタキシンなど）がなければ、DNAが適切に処理されずに細胞機能に悪影響を及ぼすことを示唆しています。

DNAの構造や機能の理解が進み、その操作や修復に必要な酵素などが同定されたことから、病気の治療やがん細胞の標的化、さらには生体内の刺激に応じて薬剤を放出するようなナノスケールの装置を開発する研究も進められています。DNAリガーゼは、このような革新的なDNAベースのナノ構造や装置を構築するためのツールとしても、組み込まれる可能性が検討されています。

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