生化学において、リガーゼ（合成酵素とも呼ばれる）は、C-O、C-S、C-Nなどの新しい化学結合の形成を通じて、2つの大きな分子を結合させる酵素です。または、2つの化合物を結合させる酵素であり、通常は大きな分子の一方に付随する小さな化学基の加水分解を伴います。この過程では、エネルギー豊富なリン酸結合の切断から必要なエネルギーを取り込み、化学エネルギーの保存に関与し、エネルギーを必要とする合成反応とエネルギーを生み出す分解反応の間の連結を提供します。ほとんどの場合、ATPがアデノシンADPに変換される同時反応がエネルギー源として機能します。リガーゼが触媒する反応は、以下のような一般式を持ちます。

命名法

リガーゼの一般的な名称には「リガーゼ」という語が含まれることが多く、例えばDNAリガーゼは分子生物学の実験室でDNA断片を結合するためによく使用される酵素です。合成酵素（シンセターゼ）は、新しい分子の合成に用いられるため、リガーゼのもう一つの一般的な名称です。シンセターゼは時にシンターゼと区別され、時にシンターゼの同義語として扱われます。定義の観点からは、ATP、GTP、CTP、TTP、UTPなどのヌクレオシド三リン酸は、シンセターゼによってエネルギー生成に利用されますが、シンターゼはヌクレオシド三リン酸を使用しません。シンターゼはまた、加水分解や酸化を除く方法で様々な化学結合の切断を触媒し、エネルギーを必要としないリアーゼとしても認識されています。一方、シンセターゼはエネルギーを必要とし、2つの化学物質や化合物を結合するリガーゼです。生化学命名法合同委員会（JCBN）は、シンターゼは合成を触媒するすべての酵素を表すことができ、シンセターゼは同義語として使用する必要があると定めています。

分類

EC番号分類システムでは、リガーゼはEC 6に分類され、さらに6つのサブクラスに細分されます。

いくつかの代表的なリガーゼの応用

DNAリガーゼは、リン酸とデオキシリボース間のホスホジエステル結合の形成を触媒することで、DNA鎖同士の結合を促進する特定の酵素です。DNAリガーゼはDNAの複製、修復、組換え過程で活性を示します。生物の二本鎖DNAの一本鎖切断の修復において、二重らせんの相補鎖を鋳型として利用し、広く応用されています。一部の型は二本鎖損傷の修復にも特異的に働きます。分子生物学の実験室では、精製されたDNAリガーゼは遺伝子クローニングにおいてDNA分子を結合し、組換えDNAを作製するために広く使用されています。DNAリガーゼの革新的な応用例としては、ナノ化学分野、特にDNAオリガミに見られます。DNAリガーゼは、DNAオーバーハングからDNA格子構造を構築するために不可欠な酵素的支援を提供し、ナノマシン、ナノエレクトロニクス、生体分子、フォトニック部品などのナノスケール物体のさらなる組み立てを可能にします。

もう一つの代表的なリガーゼの例として、T4 RNAリガーゼ1は、ATP依存的に一本鎖RNAの5'-リン酸末端と3'-ヒドロキシル末端の共有結合を触媒することができます。T4 RNAリガーゼ2は、重要な特徴的残基と独自のC末端ドメインを持ち、3'-OHおよび5'-リン酸化RNA末端の封鎖に不可欠であり、またRNAの3'-ヒドロキシル末端と5'-リン酸化RNAの結合も触媒します。T4 RNAリガーゼ1とは異なり、二本鎖基質を好み、T4 RNAリガーゼ2の切断型によるライゲーションには事前にアデニル化された基質が必要です。T4 RNAリガーゼは、RNA 3'-末端をシチジン3',5'-ビス[α-32P]リン酸で標識したり、合成オリゴヌクレオチドの環状化を誘導したり、PCR用の部位特異的な複合プライマーを生成したりすることができます。tRNAの特定の修飾もT4 RNAリガーゼの助けで達成でき、またオリゴデオキシリボヌクレオチドを一本鎖cDNAにライゲーションして5'-RACEを行うことも触媒します。

ユビキチンリガーゼ（E3ユビキチンリガーゼとも呼ばれる）は、単一のポリペプチドまたは多量体複合体として存在する酵素です。E3ユビキチンリガーゼは、ユビキチン活性化酵素E1およびユビキチン結合酵素E2（ユビキチンが結合済み）と協働し、さまざまなタンパク質基質のユビキチン化を促進し、プロテアソームによる標的分解を加速します。ユビキチンは最終的に基質タンパク質のリジンにイソペプチド結合で付加され、E3リガーゼは標的タンパク質とE2酵素の両方と相互作用できるため、E2酵素に基質特異性を与えます。E3ユビキチンリガーゼによるユビキチン化は、細胞内輸送、DNA修復、シグナル伝達など多くの生物学的プロセスの調節にも重要な役割を果たします。これは細胞生物学において極めて重要です。E3リガーゼは細胞周期制御やサイクリンの分解にも関与しています。ヒトゲノムは600種類以上の推定E3リガーゼをコードしており、基質の多様性が非常に高い一方で、E3がタンパク質基質の特異性を決定します。最近の研究では、多くのE3がヒト疾患に関与していることが判明しており、製薬介入のための魅力的な「ドラッガブル」ターゲットのクラスとなっています。

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