连接酶通常是包括“连接酶”这个字,就如
DNA连接酶是将
脱氧核糖核酸(DNA)片段连接。其他普遍的名称包括“合成酶”,因为这些酶是用作合成新的
分子,或当它们是将
二氧化碳加入一个分子时则称为“羧化酶”。
DNA连接酶最早于1967年由三个实验室同时发现,经过科学家几十年的研究发现,目前在
病毒、
细菌和真核生物体内都发现了DNA连接酶,不同类型的DNA连接酶的作用机制不同。一般情况下,根据DNA连接酶催化反应所需的能量来源可以把DNA连接酶分为
腺苷三磷酸(ATP)依赖型和
烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD)依赖型,腺苷三磷酸依赖型DNA连接酶广泛存在于真核生物、
古细菌、真细菌和病毒中,烟酰胺腺嘌呤二核苷酸依赖型DNA连接酶则分布在古细菌、真细菌和病毒中。
T4DNA连接酶是目前应用比较多的
病毒基因组编码的
DNA连接酶,在基因重组中广泛使用。噬菌体类型较多,目前研究发现T4
噬菌体能够合成
T4DNA连接酶,并且已经能够从被T4嗜菌体感染的
大肠杆菌中提取该酶,此外科学家也已经定位该酶的合成基因,即
噬菌体T4的30基因。T4DNA连接酶具有连接黏性末端和平末端的作用,研究人员总结DNA片段的连接过程,认为整个
DNA连接反应可以通过三个连续步骤来完成:
(1)ATP通过断裂最后一个高能磷酸键释放能量,同时产生的AMP和T4DNA连接酶利用
ATP水解释放的能量形成E-AMP复合物;
(3)需要连接的另外一段
DNA分子片段的3’-OH会攻击第二步形成5’-P-AMP,3’-OH和磷酸基团残基发生反应形成
磷酸二酯键,同时释放出一个AMP。
真核生物存在3种ATP依赖型DNA连接酶——DNA连接酶Ⅰ、DNA连接酶Ⅲ和DNA连接酶Ⅳ。研究显示,DNA连接酶Ⅰ和DNA连接酶Ⅳ广泛分布于
真核生物中,如植物界和动物界,DNA连接酶Ⅲ则主要分布于
脊椎动物中。
目前科学家认为,在真核生物DNA复制过程中,起到连接作用的可能主要是DNA连接酶Ⅰ,DNA连接酶Ⅰ活性的调节与其氨基端有关,在其
氨基端靠近活性中心有一个特定的部位,该部位可以通过磷酸化作用来调节DNA连接酶Ⅰ的活性。DNA连接酶Ⅰ的作用就是将DNA复制时复制叉处形成的不连续的后随链(冈崎片段)连接起来。在此过程中DNA连接酶Ⅰ并不是单独起作用,而是需要和多种蛋白
因子密切合作共同完成。在真核生物DNA复制时,后随链是由
DNA聚合酶α催化合成的,DNA聚合酶α先催化合成一段引物,然后依赖DNA聚合酶δ与
增殖细胞核抗原(持续复制因子),从引物开始合成DNA,然后引物通过降解出去。此外,在损伤的DNA的碱基修复中,DNA连接酶Ⅰ也同样起到重要的作用。首先细胞内的
特异性的
核酸内切酶和外切酶特异性识别损伤部位,在DNA单链损伤部位的附近进行剪切,切除一段DNA,然后DNA聚合酶以另一条完整的DNA链作为模版进行修复合成重新合成这段DNA,最后由DNA连接酶Ⅰ将缺口连接。