连接酶简介

DNA连接酶是1967年在三个实验室同时发现的。它是一种封闭DNA链上缺口酶,借助ATP或NAD水解提供的能量催化DNA链的5'-PO4与另一DNA链的3'-OH生成磷酸二酯键。但这两条链必须是与同一条互补链配对结合的(T4DNA连接酶除外),而且必须是两条紧邻DNA链才能被DNA连接酶催化成磷酸二酯键。

常用的DNA连接酶有两种:来自大肠杆菌的DNA连接酶和来自噬菌体的T4DNA连接酶。二者的作用机理类似。

1) T4DNA连接酶作用机制:

T4连接酶作用分三步:

(1) T4DNA连接酶与辅助因子ATP形成酶-AMP复合物。

(2) 酶-AMP复合物结合到具有5’-磷酸基和3’-羟基切口的DNA上,使DNA腺苷化。

(3) 产生一个新的磷酸二酯键,把缺口封起来.

但是分子生物学试验中主要采用T4DNA连接酶,因该酶在正常条件下,即能完成连接反应。T4 DNA 连接酶是一单链多肽,分子量为68,000道尔顿,它能催化双链DNA上相邻的3-羟基和5-磷酸末断形成磷酸二脂键。λDNA用EcoRI酶切割后形成的6个片断均具有粘性末端(Cohesive ends),在T4 DNA 连接酶作用下,可连接成原来的线状DNA。

T4DNA连接酶连接要求和结果

1. 一般性质：

大肠杆菌的DNA连接酶是一条分子量为75KD的多肽链。对胰蛋白酶敏感，可被其水解。水解后形成的小片段仍具有部份活性，可以催化酶与NAD(而不是ATP)反应形成酶-AMP中间物，但不能继续将AMP转移到DNA上促进磷酸二酯键的形成。

DNA连接酶在大肠杆菌细胞中约有300个分子，和DNA聚合酶Ⅰ的分子数相近，这也是比较合理的现象。因为DNA连接酶的主要功能就是在DNA聚合酶Ⅰ催化聚合，填满双链DNA上的单链间隙后封闭DNA双链上的缺口。

这在DNA复制、修复和重组中起着重要的作用，连接酶有缺陷的突变株不能进行DNA复制、修复和重组。噬菌体T4DNA连接酶分子也是一条多肽链，分子量为60KD，其活性很容易被0.2mol/L的KCl和精胺所抑制。

此酶的催化过程需要ATP辅助。T4DNA连接酶可连接DNA-DNA，DNA-RNA，RNA-RNA和双链DNA粘性末端或平头末端。另外，NH4C1可以提高在大肠杆菌DNA连接酶的的催化速率，而对T4DNA连接酶则无效。无论是T4DNA连接酶，还是大肠杆菌DNA连接酶都不能催化两条游离的DNA链相连接。

2.作用机制：

DNA连接酶利用NAD或ATP中的能量催化两个核酸链之间形成磷酸二酯键。反应过程可分三步：

1、NAD+或ATP将其腺苷酰基转移到DNA连接酶的一个赖氨酸残基的ε─氨基上形成共价的酶-腺苷酸中间物，同时释放出烟酰胺单核苷酸(NMN)或焦磷酸。

2、将酶-腺苷酸中间物上的腺苷酰基再转移到DNA的5'-磷酸基端，形成一个焦磷酰衍生物，即DNA-腺苷酸;

3、这个被激活的5'-磷酰基端可以和DNA的3'-OH端反应合成磷酸二酯键，同时释放出AMP。

DNA连接酶所催化的整个过程是可逆的。酶-腺苷酸中间物可以与NMN或PPi反应生成NDA或ATP及游离酶;DNA-腺苷酸也可以和NMN及游离酶作用重新生成NAD。该逆反应过程可以在AMP存在的情况下使共价闭环超螺旋DNA被连接酶催化，产生有缺口的DNA-腺苷酸，生成松弛的闭环DNA。

在真核生物细胞中也存在DNA连接酶，且有两型，分别称为连接酶Ⅰ和Ⅱ，反应中利用ATP所提供的能量。DNA连接酶Ⅰ分子量约为200KD，主要存在于生长旺盛细胞中，DNA连接Ⅱ分子量约85KD，主要存在于生长于不活跃的细胞中(resting cell)。三种连接酶单位定义：

1、Weiss单位：连接酶单位最早是1968年由Weiss提出的Weiss单位，现也称PPi单位。他的单位定义为：37℃ 20min内将1nmol的32P从焦磷酸根上置换到ATP分子上所需的酶量。现在大多数厂商仍使用这种单位。

2、d（A-T）环化单位：由于Weiss单位定义中测试的是T4 DNA连接酶中除连接功能外的另一种磷交换功能，并且测试温度高达30℃，与实际连接反应相比无论在哪一方面都有一定的差距，于是，1970年Modrich与Lehman提出了真正度量连接功能的d(A-T)环化单位，又称外切酶抗性检测。

d（A-T）环化单位的定义为：30℃ 30min 内将100nmol/L的d（A-T）（约2kb长）转化成抗外切酶的形式。

3、黏性末端单位：与Weiss单位相比，d（A-T）环化单位更接近实际，但仍有一定的问题，例如，环化单位测试中用的是纯AT片段，与实际连接中4种碱基随机排列不符；再说，如果连接酶将片段连接成多聚体而末环化时，仍可能被外切酶组所切；除此之外，与实际上大多数连接反应使用的温度16℃相比，30℃仍显得偏高。

为了衡量实际连接条件下的酶活力，New England Biolabs公司提出了最实用的黏性末端单位，它的单位定义为：16℃ 30min内将5,末端浓度为0.12μmol/Lλ-HindⅢ 酶切片段的50%连接上。

连接试验

当我们已经获得目的基因片段，选择好适当的克隆（或表达，转化）质粒载体，并确定重组方案后，下面要进行的就是DNA片段之间的体外连接，从而获得重组子。此重组子可转入相应的宿主菌中用于对目的基因的扩增以及目的基因表达（如现代基因工程药物的生产），还可用于序列分析和转基因等重要生物技术的研究中。