إنزيم ربط الحمض النووي 3

إنزيم ربط الحمض النووي 3 ، أو ربط الحمض النووي III ، هو إنزيم يُشفَّر في البشر بواسطة جين LIG3 . ^{[ 5 ] [ 6 ]} يُشفِّر جين LIG3 إنزيمات ربط الحمض النووي المعتمدة على ATP والتي تعمل على إصلاح الانقطاعات في العمود الفقري الفوسفودايستري للحمض النووي المزدوج .

توجد ثلاث عائلات من إنزيمات ربط الحمض النووي المعتمدة على الأدينوسين ثلاثي الفوسفات (ATP) في حقيقيات النوى . ^{[ 7 ]} تستخدم هذه الإنزيمات آلية تفاعل ثلاثية الخطوات نفسها: (أ) تكوين وسيط إنزيمي-أدينيلات تساهمي؛ (ب) نقل مجموعة الأدينيلات إلى الطرف الفوسفاتي 5' لشق الحمض النووي؛ (ج) تكوين رابطة فوسفاتية ثنائية الإستر. على عكس أفراد عائلتي LIG1 و LIG4 الموجودين في جميع حقيقيات النوى تقريبًا، فإن أفراد عائلة LIG3 أقل انتشارًا. ^{[ 8 ]} يشفر LIG3 عدة أنواع متميزة من إنزيمات ربط الحمض النووي من خلال آليات بدء الترجمة البديلة والتضفير البديل الموضحة أدناه.

تحتوي إنزيمات ربط الحمض النووي المعتمدة على ATP في حقيقيات النوى على منطقة تحفيزية متشابهة تتألف من ثلاثة نطاقات: نطاق ربط الحمض النووي ، ونطاق الأدينيل ، ونطاق ربط النيوكليوتيدات / السكريات قليلة الوحدات . عندما ترتبط هذه الإنزيمات بقطع في الحمض النووي المزدوج، تُحيط هذه النطاقات بالحمض النووي المزدوج، حيث يتصل كل نطاق منها بالحمض النووي. وقد حُددت بنية المنطقة التحفيزية لإنزيم ربط الحمض النووي III المرتبط بحمض نووي مقطوع بواسطة علم البلورات بالأشعة السينية ، وهي تُشابه بشكل ملحوظ تلك التي تُشكلها المنطقة التحفيزية لإنزيم ربط الحمض النووي I البشري المرتبط بحمض نووي مقطوع. ^{[ 9 ]} ومن السمات الفريدة لإنزيمات ربط الحمض النووي المشفرة بواسطة جين LIG3 وجود إصبع زنك في الطرف الأميني يُشبه إصبعي الزنك الموجودين في الطرف الأميني لإنزيم بوليميراز عديد (ADP-ريبوز) 1 ( PARP1 ). ^{[ 10 ]} كما هو الحال مع أصابع الزنك في PARP1، يشارك إصبع الزنك في إنزيم ربط الحمض النووي III في الارتباط بكسور سلاسل الحمض النووي. ^{[ 10 ] [ 11 ] [ 12 ]} ضمن عديد الببتيد لإنزيم ربط الحمض النووي III، يتعاون إصبع الزنك مع نطاق ربط الحمض النووي لتشكيل وحدة ربط الحمض النووي. ^{[ 13 ]} بالإضافة إلى ذلك، يشكل نطاق الأدينيل ونطاق طي ربط قليل النوكليوتيدات/قليل السكريات وحدة ربط حمض نووي ثانية. ^{[ 13 ]} في نموذج جاكنايف الذي اقترحه مختبر إلينبرغر، ^{[ 13 ]} تعمل وحدة إصبع الزنك-نطاق ربط الحمض النووي كمستشعر لكسور السلاسل، حيث ترتبط بانقطاعات السلسلة المفردة للحمض النووي بغض النظر عن طبيعة نهايات كسور السلاسل. إذا كانت هذه الكسور قابلة للربط، فإنها تُنقل إلى وحدة نطاق الأدينيل-نطاق طي ربط قليل النوكليوتيدات/قليل السكريات التي ترتبط تحديدًا بالشقوق القابلة للربط. بالمقارنة مع إنزيمي ربط الحمض النووي الأول والرابع، يُعد إنزيم ربط الحمض النووي الثالث الإنزيم الأكثر نشاطًا في ربط جزيئات الحمض النووي المزدوجة. ^{[ 14 ]} يعتمد هذا النشاط بشكل أساسي على نطاق الزنك في إنزيم ربط الحمض النووي الثالث، مما يشير إلى أن وحدتي ربط الحمض النووي في هذا الإنزيم قد تكونان قادرتين على الارتباط بنهايات الحمض النووي المزدوج في آنٍ واحد. ^{[ 9 ] [ 13 ]}

تُغيّر آليات بدء الترجمة والتضفير البديلة تسلسلات الطرفين الأميني والكربوكسيلي المحيطة بالمنطقة التحفيزية لإنزيم ربط الحمض النووي III. ^{[ 15 ] [ 16 ]} في آلية التضفير البديل، يُستبدل الإكسون الذي يُشفّر نطاق BRCT الطرفي الكربوكسيلي لبروتين قابلية الإصابة بسرطان الثدي 1 ( BRCT ) في الطرف الكربوكسيلي لإنزيم ربط الحمض النووي III-ألفا بتسلسل قصير موجب الشحنة يعمل كإشارة توطين نووي ، مُنتجًا إنزيم ربط الحمض النووي III-بيتا. وقد تم الكشف عن هذا المتغير المُضفّر بديلًا، حتى الآن، فقط في الخلايا الجرثومية الذكرية. ^{[ 16 ]} بناءً على نمط تعبيره أثناء تكوين الحيوانات المنوية، يبدو من المرجح أن إنزيم ربط الحمض النووي III-بيتا يشارك في إعادة التركيب الميوزي و/أو إصلاح الحمض النووي في الحيوانات المنوية أحادية الصيغة الصبغية ، ولكن لم يتم إثبات ذلك بشكل قاطع. على الرغم من أن كودون البدء ATG الداخلي هو الموقع المفضل لبدء الترجمة ضمن إطار القراءة المفتوح لإنزيم ربط الحمض النووي III ، إلا أن بدء الترجمة يحدث أيضًا عند أول كودون بدء ATG ضمن إطار القراءة المفتوح، مما يؤدي إلى تخليق عديد ببتيد ذي تسلسل استهداف ميتوكوندريا في الطرف الأميني . ^{[ 15 ] [ 17 ] [ 18 ]}

كما ذُكر سابقًا، يُشفّر mRNA الخاص بإنزيم ربط الحمض النووي III-alpha نسختين نووية وميتوكوندرية من هذا الإنزيم. يوجد إنزيم ربط الحمض النووي III-alpha النووي ويعمل ضمن مُركّب مُستقر مع بروتين إصلاح الحمض النووي XRCC1 . ^{[ 19 ] [ 20 ]} تتفاعل هذه البروتينات عبر نطاقاتها الطرفية C- BRCT . ^{[ 16 ] [ 21 ]} لا يمتلك XRCC1 أي نشاط إنزيمي، ولكنه يبدو أنه يعمل كبروتين داعم من خلال التفاعل مع عدد كبير من البروتينات المُشاركة في استئصال القاعدة وإصلاح انقطاع السلسلة المفردة . تتوافق مُشاركة XRCC1 في هذه المسارات مع النمط الظاهري لخلايا xrcc1. ^{[ 19 ]} على عكس إنزيم ربط الحمض النووي III-alpha النووي، يعمل إنزيم ربط الحمض النووي III-alpha الميتوكوندري بشكل مُستقل عن XRCC1، الذي لا يوجد في الميتوكوندريا. ^{[ 22 ]} يبدو أن إنزيم ربط الحمض النووي النووي III-alpha يشكل معقدًا مع XRCC1 في السيتوبلازم ، ويتم توجيه استهداف النواة اللاحق للمعقد الناتج بواسطة إشارة التموضع النووي لـ XRCC1 . ^{[ 23 ]} في حين أن إنزيم ربط الحمض النووي الميتوكوندري III-alpha يتفاعل أيضًا مع XRCC1، فمن المرجح أن يكون نشاط تسلسل الاستهداف الميتوكوندري لإنزيم ربط الحمض النووي III-alpha أكبر من نشاط إشارة التموضع النووي لـ XRCC1، وأن معقد إنزيم ربط الحمض النووي III-alpha/XRCC1 يتفكك عندما يمر إنزيم ربط الحمض النووي الميتوكوندري III-alpha عبر غشاء الميتوكوندريا.

بما أن جين LIG3 يُشفّر إنزيم ربط الحمض النووي الوحيد في الميتوكوندريا، فإن تعطيل هذا الجين يؤدي إلى فقدان الحمض النووي للميتوكوندريا، مما يُفضي بدوره إلى فقدان وظيفة الميتوكوندريا. ^{[ 24 ] [ 25 ] [ 26 ]} يمكن استنبات الخلايا الليفية التي تم تعطيل جين Lig3 فيها في وسط مُدعّم باليوريدين والبيروفات. مع ذلك، تفتقر هذه الخلايا إلى الحمض النووي للميتوكوندريا. ^{[ 27 ]} يبدو أن المستويات الفسيولوجية لإنزيم ربط الحمض النووي للميتوكوندريا III مرتفعة، وتحافظ الخلايا التي انخفض فيها محتوى الميتوكوندريا من إنزيم ربط الحمض النووي للميتوكوندريا III-ألفا بمقدار 100 ضعف على عدد نسخ طبيعي من الحمض النووي للميتوكوندريا. ^{[ 27 ]} يمكن أن تؤدي إنزيمات ربط الحمض النووي الأخرى، بما في ذلك إنزيم ربط الحمض النووي المعتمد على NAD في بكتيريا الإشريكية القولونية، الدور الأساسي لإنزيم ربط الحمض النووي III-alpha في استقلاب الحمض النووي للميتوكوندريا ، إذا ما تم استهدافها للميتوكوندريا. ^{[ 24 ] [ 26 ]} وبالتالي، يمكن توليد خلايا قابلة للحياة تفتقر إلى إنزيم ربط الحمض النووي III-alpha النووي. في حين أن إنزيم ربط الحمض النووي I هو الإنزيم السائد الذي يربط شظايا أوكازاكي أثناء تضاعف الحمض النووي، فقد بات من الواضح الآن أن مركب إنزيم ربط الحمض النووي III-alpha/XRCC1 يمكّن الخلايا التي تفتقر إلى إنزيم ربط الحمض النووي I أو التي لديها نشاط منخفض منه من إكمال تضاعف الحمض النووي. ^{[ 24 ] [ 26 ] [ 28 ] [ 29 ]} بالنظر إلى الدراسات البيوكيميائية ودراسات بيولوجيا الخلية التي تربط معقد DNA ligase III-alpha/XRCC1 بإصلاح الاستئصال وإصلاح انقطاعات الحمض النووي أحادي السلسلة، ^{[ 30 ] [ 31 ] [ 32 ]} كان من المستغرب أن الخلايا التي تفتقر إلى DNA ligase III-alpha النووي لم تُظهر حساسية متزايدة بشكل ملحوظ لعوامل تلف الحمض النووي. ^{[ 24 ] [ 26 ]} تشير هذه الدراسات إلى وجود تكرار وظيفي كبير بين DNA ligase I وDNA ligase III-alpha في مسارات إصلاح الحمض النووي النووية هذه. في خلايا الثدييات، يتم إصلاح معظم انقطاعات الحمض النووي ثنائي السلسلة عن طريق الربط غير المتجانس للنهايات ( NHEJ ) المعتمد على DNA ligase IV. ^{[ 33 ]} يشارك DNA ligase III-alpha في مسار NHEJ بديل ثانوي يُولّد عمليات انتقال كروموسومية . ^{[ 34 ] [ 35 ]} على عكس وظائف إصلاح الحمض النووي النووي الأخرى، يبدو أن دور إنزيم ربط الحمض النووي III-alpha في NHEJ البديل مستقل عن XRCC1. ^{[ 36 ]}

على عكس جيني LIG1 وLIG4، ^{[ 37 ] [ 38 ] [ 39 ] [ 40 ]} لم تُكتشف طفرات وراثية في جين LIG3 لدى البشر. مع ذلك، فقد ثبت تورط إنزيم DNA ligase III-alpha بشكل غير مباشر في السرطان والأمراض التنكسية العصبية . في السرطان، غالبًا ما يُفرط في التعبير عن إنزيم DNA ligase III-alpha، وهذا يُعد مؤشرًا حيويًا لتحديد الخلايا الأكثر اعتمادًا على مسار NHEJ البديل لإصلاح كسور الحمض النووي المزدوجة. ^{[ 41 ] [ 42 ] [ 43 ] [ 44 ]} على الرغم من أن زيادة نشاط مسار NHEJ البديل يُسبب عدم استقرار جيني يُحفز تطور المرض، إلا أنه يُشكل أيضًا هدفًا جديدًا لتطوير استراتيجيات علاجية خاصة بخلايا السرطان. ^{[ 42 ] [ 43 ]} تم تحديد العديد من الجينات التي تشفر بروتينات تتفاعل مباشرةً مع إنزيم ربط الحمض النووي III-alpha أو بشكل غير مباشر عبر تفاعلات مع XRCC1، باعتبارها متحولة في الأمراض العصبية التنكسية الوراثية. ^{[ 45 ] [ 46 ] [ 47 ] [ 48 ] [ 49 ]} وبالتالي، يبدو أن تفاعلات الحمض النووي التي تشمل إنزيم ربط الحمض النووي III-alpha تلعب دورًا مهمًا في الحفاظ على حيوية الخلايا العصبية .

يؤدي إنزيم LIG3 دورًا في إصلاح انقطاعات الحمض النووي المزدوجة عبر آلية الربط النهائي بوساطة التماثل الجزئي (MMEJ). وهو أحد ستة إنزيمات ضرورية لهذا المسار المُعرَّض للخطأ في إصلاح الحمض النووي. ^{[ 50 ]} يزداد التعبير عن إنزيم LIG3 في حالات ابيضاض الدم النخاعي المزمن، ^{[ 44 ]} والورم النخاعي المتعدد، ^{[ 51 ]} وسرطان الثدي. ^{[ 42 ]}

غالباً ما تعاني الأورام السرطانية من نقص في التعبير عن واحد أو أكثر من جينات إصلاح الحمض النووي، لكن فرط التعبير عن جين إصلاح الحمض النووي أقل شيوعاً في السرطان. على سبيل المثال، يؤدي وجود خلل طفري في 36 إنزيماً على الأقل من إنزيمات إصلاح الحمض النووي في الخلايا الجرثومية إلى زيادة خطر الإصابة بالسرطان ( متلازمات السرطان الوراثية ). (انظر أيضاً: اضطراب نقص إصلاح الحمض النووي ). وبالمثل، وُجد أن 12 جيناً على الأقل من جينات إصلاح الحمض النووي مُثبَّطة فوقياً في واحد أو أكثر من الأورام السرطانية. (انظر أيضاً: انخفاض إصلاح الحمض النووي فوقياً والسرطان ). عادةً، يؤدي نقص التعبير عن إنزيم إصلاح الحمض النووي إلى زيادة تلف الحمض النووي غير المُصلح، والذي يؤدي، من خلال أخطاء التضاعف ( تخليق الحمض النووي عبر الآفات )، إلى طفرات وسرطان. ومع ذلك، فإن إصلاح MMEJ بوساطة LIG3 غير دقيق للغاية، لذا في هذه الحالة، يبدو أن فرط التعبير، وليس نقص التعبير، هو ما يؤدي إلى السرطان.

• نظرة عامة على جميع المعلومات الهيكلية المتاحة في PDB لـ UniProt : P49916 (DNA ligase 3) في PDBe-KB .