Moleküler biyolojideDNA ligaz ikiDNA molekülünü uç uca birleştiren özel birligaz (EC6.5.1.1) tipidir. DNA ligazDNA tamiri,DNA ikileşmesinde rol oynar. Ayrıca, ökaryotlardamayoz bölünmedekikrosoverde vememelilerde, bağışıklık sisteminin çeşitliliğini sağlayan rekombinasyon süreçlerinde rol oynarlar. DNA ligaz enzimi moleküler biyoloji laboratuvarlarındarekombinant DNA uygulamalarında kullanılır.
DNA ligazın görevi bir DNA molekülünün3' hidroksil ucu ile bir diğerinin5' fosfat ucu arasında birfosfodiester bağ oluşturmaktır. Katalizledikleri reaksiyon için yüksek enerjili birkofaktör olarakATP veyaNAD kullanırlar.Ökaryotik DNA ligazlar ATP ile çalışır,bakteri,arke vevirüslerdeki DNA ligazların bazıları ATP bazıları NAD kullanır. Bu kofaktörlerin fosfat bağının kesilmesi ile reaksiyon için gerekli enerji elde edilir. Arta kalanAMP molekülü enzimde bulunan birlizin kalıntısı tarafından bağlanır. Birleştirilecek DNA molekülünün 5' ucundaki fosfat, lizine bağlı AMP'deki 5' fosfata saldırarak, AMP'yi DNA'ya bağlayan birpirofosfat bağı oluşturur. Nihayet, kopuk DNA zincirinin 3'-OH grubu, 5' uçtaki pirofosfat grubuna saldırarak AMP'nin serbest bırakılmasına ve DNA zincir uçlarının birleşmesine neden olur.[1]
DNA ligazlar DNA'yı çevreleyerek ona şekil verirler ve birleşmesi gereken zincir uçlarını karşı karşıya getirirler.
Tüm DNA ligazlarda DNA'ya bağlanan bir bölge, bir de nükleotidil transferaz bölgesi vardır. Nükleotidil transferaz bölgesi AMP'yi DNA'ya aktarır. Bu iki bölgeye ek olarak, bazı DNA ligazlarda yardımcı proteinlerle etkileşmeyi sağlayan ek bölgeler bulunur. Diğer DNA ligazlardan farklı olarak DNA ligaz III'te DNA bağlanan iki ayrı bölge vardır, bu sayede küt uçlu iki DNA uçuca gelebilir.[2]
DNA ligazlarda görülen, yukarıda belirtilen üç adımlı mekanizmaRNA ligazlarda da mevcuttur.Mesajcı RNA'ya5' başlık takan enzimler ise bu üç adımın ilk ikisini sadece uygular ve DNA yerine RNA, ATP yerineGTP kullanır. Bu enzimlerin aktif bölgelerinin yapısı da benzerdir. Katalizledikleri reaksiyon adımlarından biri, bir nükleotitin bir nükleik aside eklenmesi olduğu için bu enzim aileleri toplu olaraknükleotidiltransferaz enzim üst ailesini oluştururlar.[2]
NAD ve ATP kullanan DNA ligazların biyokimyasal mekanizmaları aynı olmasına karşın amino asit dizileri bakımından birbirlerinden çok farklıdır ve iki ayrı grup oluştururlar.
E. coli DNA ligazı DNA ikileşmesi sırasında oluşanOkazaki parçalarının birleştirilmesi, ayrıca DNA tamiri için gereklidir.Bakteriyofaj T4 ve T7'de bulunan DNA ligazlar da aynı göreve sahiptir ama konak bakteride bulunan DNA ligaz, faj DNA'sının ikileşmesinde işlev görebildiği için onların varlıkları faj çoğalması için zorunlu değildir.[3]
İnsanda LIG1, LIG3 ve LIG4 genleri tarafından kodlanan üç DNA ligaz geni vardır. LIG1 ve LIG4 tüm ökaryotlarda bulunmakta, LIG3 ise sadece omurgalı hayvanlarda bulunmaktadır.[2]
DNA ligaz enzimlerinde yokluğu veya doğru çalışmaması sonucu genom yapısında bozukluklar meydana gelir. DNA ligaz I mutasyonu taşıyan hastalarda DNA ikileşmesi ve tamiri iyi çalışmamasından dolayıimmün bozukluklar, güneş ışığına duyarlılık ve büyüme gecikmesi görülmüştür. Memeli hayvanlarda DNA ligaz I veya IV eksikliği kanser olasılığını artırdığı gösterilmiştir. DNA ligaz IV yokluğu sendromunda V(D)J rekombinasyonu bozukluğundan kaynaklananimmün yetmezlik görülür. Fare modellerinde ve çoğu insan hastada DNA ligaz IV yokluğukansere yol açmaktadır.[2]
DNA ligazlar, laboratuvardarekombinant DNA dizileri oluşturmak için vazgeçilmez birer araç haline gelmişlerdir. Örneğinrestriksiyon enzimleri ile elde edilen DNA parçalarının birplazmit içine yerleştirilebilmesi için DNA ligazlar kullanılır. Uçları birleştirilen DNA moleküllerinin uçları "yapışkan" (sağdaki resimdeki gibi) veya küt olabilir.
Başarılı bir ligasyon (birleştirme) reaksiyonu için en iyi sıcaklığın bulunması gereklidir. Çoğu reaksiyonbakteriofaj T4'ten elde edilen T4 DNA ligazı ile katalizlenir. Ancak ligasyonun başarılı olması için enzim etkinliği ile DNA uçlarının ergimesi arasında bir denge bulunması gerekir. Eğer reaksiyon sıcaklığı ergime sıcaklığı (bunatavlama sıcaklığı da denir) Tm'den yüksek olursa, yapışkan uçlar arasındabaz eşleşmesi olmaz. Yapışkan uçların uzantısı ne kadar kısa olursa Tm de o kadar düşük olur. Bu yüzden kısa uzantılı yapışkan uçların ligasyonu düşük sıcaklıkta (4-8 °C) uzun süre içinde (saatlerce, genelde bir gece boyunca) gerçekleştirilir.
5' ucunda fosfat olmayan DNA'ların ligaz tarafından birleştirilebilmesi için 5' uçlarınınfosforile edilmesi gerekir.
Yapışkan uçsuz DNA'ların da ligasyonu mümkündür ama reaksiyon çok daha yavaştır. Reaksiyon ortamındapolietilen glikol ve 150-200 mMNaCl bulunması DNA moleküllerinin bitişmesini kolaylaştırır.