リガーゼの概要

生化学において、リガーゼ（合成酵素：synthetase とも呼ばれる）は、C–O、C–S、C–N などの新規化学結合の形成、または2つの化合物の連結を触媒する酵素であり、通常は大きい分子の一方に結合した小さな化学基の加水分解を伴う。本反応は一般に、高エネルギーリン酸結合の開裂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するとともに、エネルギーを要する合成過程とエネルギー産生的な分解反応とを結び付ける。多くの場合、ATP からアデノシン二リン酸（ADP）への同時変換がエネルギー源として機能する。リガーゼが触媒する反応は、一般に以下の式で表される：

Ligase Introduction

命名法

リガーゼの慣用名には、DNA リガーゼのように「ligase」を含むものが多い。DNA リガーゼは、分子生物学実験室において DNA 断片を連結するために頻用される酵素である。リガーゼは新規分子の合成に用いられることから、「synthetase（合成酵素）」という名称も一般的に採用されている。Synthetase は synthase と区別される場合もあれば、同義語として扱われる場合もある。定義上、ATP、GTP、CTP、TTP、UTP などのヌクレオシド三リン酸は、synthetase によりエネルギー供給源として利用される一方、synthase はヌクレオシド三リン酸を使用しない。さらに、synthase は加水分解および酸化以外の機構により、エネルギー要求なしに各種化学結合の開裂を触媒するリアーゼ（lyase）としても認識されるのに対し、synthetase はエネルギーを必要として2つの化学種／化合物を結合させるリガーゼである。生化学命名法合同委員会（JCBN）は、synthase は合成反応を触媒する任意の酵素を指し得る一方で、synthetase は同義的に用いられるべきであると規定している。

分類

EC 番号による分類体系では、リガーゼは EC 6 に分類され、さらに6つのサブクラスに区分される。

EC番号	説明
EC 6.1	炭素–酸素結合を形成
EC 6.2	炭素–硫黄結合を形成
EC 6.3	炭素–窒素結合を形成（アルギニノコハク酸合成酵素）
EC 6.4	炭素–炭素結合を形成
EC 6.5	リン酸エステル結合を形成
EC 6.6	キレターゼに見られるような窒素–金属結合を形成

代表的なリガーゼの用途

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形成を触媒することにより DNA 鎖同士の連結を促進する特異的酵素である。DNA リガーゼは、DNA の複製、修復、および組換え過程で機能する。生体内では、二重らせんの相補鎖を鋳型として二本鎖 DNA の一本鎖切断（single-strand break）を修復する用途で広く利用され、一部の型は二本鎖損傷（double-strand damage）を特異的に修復し得る。分子生物学実験室では、精製 DNA リガーゼが遺伝子クローニングにおいて広範に用いられ、DNA 分子を連結して組換え DNA を作製する。さらに、ナノ化学分野、特に DNA オリガミにおいても革新的な応用が見られる。DNA リガーゼは、DNA の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学的支援を提供し、ナノマシン、ナノエレクトロニクス、バイオ分子、フォトニック部品などのナノスケール構造体の組み立てを可能にする。

リガーゼの別の代表例として、T4 RNA リガーゼ1は、ATP 依存的に、一本鎖 RNA の 5′-リン酸化末端と一本鎖 RNA の 3′-水酸基末端との共有結合的連結を触媒する。T4 RNA リガーゼ2は、重要なシグネチャー残基および 3′-OH 末端と 5′-リン酸化 RNA 末端のシーリングに必須のユニークな C 末端ドメインによって特徴付けられ、RNA の 3′-水酸基末端と 5′-リン酸化 RNA との連結も触媒する。T4 RNA リガーゼ1とは異なり、二本鎖基質を優先し、T4 RNA リガーゼ2のトランケート体によるライゲーションには、あらかじめアデニル化された基質が必要である。T4 RNA リガーゼは、シチジン 3′,5′-ビス［α-32P］リン酸による RNA 3′末端標識、合成オリゴヌクレオチドの環状化の誘導、PCR 用の複合プライマーの部位特異的作製に利用できる。さらに、T4 RNA リガーゼの補助下で tRNA の特異的修飾も可能であり、5′-RACE のためにオリゴデオキシリボヌクレオチドを一本鎖 cDNA にライゲーションする反応も触媒する。

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ある。E3 ユビキチンリガーゼは、ユビキチン活性化酵素 E1 およびユビキチンがロードされたユビキチン結合酵素 E2 と協働し、各種タンパク質基質のユビキチン化を促進して、プロテアソームによる標的分解へと導く。ユビキチンは最終的に基質タンパク質上のリシン残基にイソペプチド結合として付加され、E3 リガーゼは標的タンパク質と E2 酵素の双方と相互作用し得るため、E2 酵素に基質特異性を付与する。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制御においても必須であり、細胞生物学上きわめて重要である。E3 リガーゼは細胞周期制御およびサイクリン分解にも関与する。ヒトゲノムには600種を超える推定 E3 リガーゼがコードされており、基質の多様性は非常に大きい一方で、E3 がタンパク質基質の特異性を規定し得る。近年の研究により、多くの E3 がヒト疾患に関与することが示されており、医薬品による介入において魅力的な「創薬可能（drugable）」標的クラスの一つと考えられている。

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