DNA ligases: Structure, reaction mechanism, and function

Chemical Reviews

Volumn 106, Issue 2, 2006, Pages 687-699

  Tomkinson, Alan E ^a   Vijayakumar, Sangeetha ^a   Pascal, John M ^b   Ellenberger, Tom ^b  

^a UNIVERSITY OF MARYLAND SCHOOL OF MEDICINE   (United States)

^b HARVARD MEDICAL SCHOOL   (United States)

Author keywords

[No Author keywords available]

Indexed keywords

BACTERIOLOGY; BIOCHEMISTRY; CATALYSIS; CONFORMATIONS; ENZYMES; GENETIC ENGINEERING; METABOLISM; MOLECULAR DYNAMICS; MOLECULAR STRUCTURE; PROTEINS; REACTION KINETICS;

GENETIC INACTIVATION; LIGASES; NUCLEOTIDYL TRANSFERASES; PROTEIN PARTNERS;

DNA;

ADENOSINE TRIPHOSPHATE; BACTERIAL DNA; DNA LIGASE III; NICOTINAMIDE ADENINE DINUCLEOTIDE; POLYDEOXYRIBONUCLEOTIDE SYNTHASE; POLYDEOXYRIBONUCLEOTIDE SYNTHASE (ATP);

ANIMAL; BACTERIOPHAGE; CHEMISTRY; CONFORMATION; DNA REPAIR; ENZYME ACTIVE SITE; GENETICS; HUMAN; METABOLISM; REVIEW;

ADENOSINE TRIPHOSPHATE; ANIMALS; BACTERIOPHAGES; CATALYTIC DOMAIN; DNA LIGASES; DNA REPAIR; DNA, BACTERIAL; HUMANS; NAD; NUCLEIC ACID CONFORMATION;

EID: 33644624369     PISSN: 00092665     EISSN: None     Source Type: Journal    
DOI: 10.1021/cr040498d     Document Type: Review

References (129)

1. Yao, N.; Turner, J.; Kelman, Z.; Stukenberg, P. T.; Dean, F.; Shechter, D.; Pan, Z.-Q.; Hurwitz, J.; O'Donnell, M. Genes Cells 1996, 1, 101.
2. Bassing, C. H.; Alt, F. W. DNA Repair 2004, 3, 781.
3. Barnes, D. E.; Lindahl, T. Annu. Rev. Genet. 2004, 38, 445.
4. Ward, J. F. Prog. Nucleic Acids Res. 1988, 35, 95.
5. Engler, M. J.; Richardson, C. C. DNA ligases; Academic Press: New York, 1982.
6. Lehman, I. R. Science 1974, 186, 790.
7. Soderhall, S.; Lindahl, T. FEBS Lett. 1976, 67, 1.
8. Johnston, L. H. Mol. Gen. Genet. 1979, 170, 89.
9. Nasmyth, K. A. Cell 1977, 12, 1109.
10. Barnes, D. E.; Tomkinson, A. E.; Lehmann, A. R.: Webster. A. D.; Lindahl, T. Cell 1992, 69, 495.
11. Riballo, E.; Critchlow, S. E.; Teo, S.-H.; Doherty, A. J.; Priestly, A.; Broughton, B.; Kysela, B.; Beamish, H.; Plowman, N.; Arlett, C. F.; Lehmann, A. R.; Jackson, S. P.; Jeggo, P. A. Curr. Biol. 1999, 9, 699.
12. Shuman, S.; Schwer, B. Mol. Microbiol. 1995, 17, 405.
13. Barnes, D. E.; Johnston, L. H.; Kodama, K.; Tomkinson, A. E.; Lasko, D. D.; Lindahl, T. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 1990, 87, 6679.
14. Soderhall, S.; Lindahl, T. Biochem. Biophys. Res. Commun. 1973, 53, 910.
15. Tomkinson, A. E.; Roberts, E.; Daly, G.; Totty, N. F.; Lindahl, T. J. Biol. Chem. 1991, 266, 21728.
16. Wei, Y.-F.; Robins, P.; Carter, K.; Caldecott, K.; Pappin, D. J. C.; Yu, G.-L.; Wang, R.-P.; Shell, B. K.; Nash, R. A.; Schar, P.; Barnes, D. E.; Haseltine, W. A.; Lindahl, T. Mol. Cell. Biol. 1995, 15, 3206.
17. Gong, C.; Martins, A.; Bongiorno, P.; Glickman, M.; Shuman, S. J. Biol. Chem. 2004, 279, 20594.
18. Sriskanda, V.; Shuman, S. Nucleic Acids Res. 2001, 29, 493.
19. Wilson, T. E.; Grawunder, U.; Lieber, M. R. Nature 1997, 388, 495.
20. Barnes, D. E.; Tomkinson, A. E.; Lehmann, A. R.; Webster, A. D. B.; Lindahl, T. Cell 1992, 69, 495.
21. Caldecott, K. W.; McKeown, C. K.; Tucker, J. D.; Ljungquist, S.; Thompson, L. H. Mol. Cell Biol. 1994, 14, 68.
22. Caldecott, K. W.; McKeown, C. K.; Tucker, J. D.; Stanker, L.: Thompson, L. H. Nucleic Acids Res. 1996, 23, 4836.
23. Subramanya, H. S.; Doherty, A. J.; Ashford, S. R.; Wigley, D. B. Cell 1996, 85, 607.
24. Odell, M.; Sriskanda, V.; Shuman, S.; Nikolov, D. B. Mol. Cell 2000, 6, 1183-93.
25. Lee, J. Y.; Chang, C.; Song, H. K.; Moon, J.; Yang, J. K.; Kim, H. K.; Kwon, S. T.; Suh, S. W. EMBO J. 2000, 19, 1119.
26. Singleton, M. R.; Hakansson, K.; Timson, D. J.; Wigley, D. B. Structure Fold Des. 1999, 7, 35.
27. Pascal, J. M.; O'Brien, P. J.; Tomkinson, A. E.; Ellenberger, T. Nature 2004, 432, 473.
28. Hakansson, K.; Doherty, A. J.; Shuman, S.; Wigley, D. B. Cell 1997, 89, 545.
29. Murzin, A. G. EMBO J. 1993, 12, 861.
30. Gajiwala, K. S.; Pinko, C. Structure (Cambridge) 2004, 12, 1449.
31. Jeon, H. J.; Shin, H. J.; Choi, J. J.; Hoe, H. S.; Kim, H. K.; Suh, S. W.; Kwon, S. T. FEMS Microbiol. Lett. 2004, 237, 111.
32. Sawaya, R.; Shuman, S. Biochemistry 2003, 42, 8240.
33. Sriskanda, V.; Shuman, S. Nucleic Acids Res. 1998, 26, 4618.
34. Doherty, A. J.; Wigley, D. B. J. Mol. Biol. 1999, 285, 63.
35. Doherty, A. J.; Dafforn, T. R. J. Mol. Biol. 2000, 296, 43.
36. Doherty, A. J.; Suh, S. W. Nucleic Acids Res. 2000, 28, 4051.
37. Martin, I. V.; MacNeill, S. A. Genome Biol. 2002, 3, Reviews 3005.
38. Tomkinson, A. E.; Tappe, N. J.; Friedberg, E. C. Biochemistry 1992, 31, 11762.
39. Sriskanda, V.; Schwer, B.; Ho, C. K.; Shuman, S. Nucleic Acids Res. 1999, 27, 3953.
40. Grawunder, U.; Zimmer, D.; Leiber, M. R. Curr. Biol. 1998, 8, 873.
41. Robinson, H.; Gao, Y. G.; McCrary, B. S.; Edmondson, S. P.; Shriver, J. W.; Wang, A. H. Nature 1998, 392, 202.
42. Sekiguchi, J.; Shuman, S. Nucleic Acids Res. 1997, 25, 727.
43. Sriskanda, V.; Shuman, S. Nucleic Acids Res. 1998, 26, 3536.
44. Bhagwat, A. S.; Sanderson, R. J.; Lindahl, T. Nucleic Acids Res. 1999, 27, 4028.
45. Luo, J.; Bergstrom, D. E.; Barany, F. Nucleic Acids Res. 1996, 24, 3071.
46. Nakatani, M.; Ezaki, S.; Atomi, H.; Imanaka, T. Eur. J. Biochem. 2002, 269, 650.
47. Pritchard, C. E.; Southern, E. M. Nucleic Acids Res. 1997, 25, 3403.
48. Shuman, S. Biochemistry 1995, 34, 16138.
49. Tong, J.; Barany, F.; Cao, W. Nucleic Acids Res. 2000, 28, 1447.
50. Chou, K.-M.; Cheng, Y.-C. Nature 2002, 415, 655.
51. Robins, P.; Lindahl, T. J. Biol. Chem. 1996, 271, 24257.
52. Liu, P.; Burdzy, A.; Sowers, L. C. Nucleic Acids Res. 2004, 32, 4503.
53. Johnston, L. H.; Nasmyth, K. A. Nature 1978, 274, 891.
54. Levin, D. S.; Bai, W.; Yao, N.; O'Donnell, M.; Tomkinson, A. E. Proc. Natl. Acad Sci. U.S.A. 1997, 94, 1286.
55. Levin, D. S.; McKenna, A. E.; Motycka, T. A.; Matsumoto, Y.; Tomkinson, A. E. Curr. Biol. 2000, 10, 91.
56. Levin, D. S.; Vijayakumar, S.; Liu, X.; Bermudez, V. P.; Hurwitz, J.; Tomkinson, A. E. J. Biol. Chem. 2004, 279, 55196.
57. Montecucco, A.; Rossi, R.; Levin, D. S.; Gary, R.; Park, M. S.; Motycka, T. A.; Ciarrocchi, G.; Villa, A.; Biamonti, G.; Tomkinson, A. E. EMBO J. 1998, 17, 3786.
58. Warbrick, E. BioEssays 1998, 20, 195.
59. Jonsson, Z.; Hubscher, U. BioEssays 1997, 19, 967.
60. Kelman, Z. Oncogene 1997, 14, 629.
61. Dionne, I.; Nookala, R. K.; Jackson, S. P.; Doherty, A. J.; Bell, S. D. Mol. Cell 2003, 11, 275.
62. Garg, P.; Stith, C. M.; Sabouri, N.; Johansson, E.; Burgers, P. M. Genes Dev. 2004, 18, 2764.
63. Gulbis, J. M.; Kelman, Z.; Hurwitz, J.; O'Donnell, M.; Kuriyan, J. Cell 1996, 87, 297.
64. Lopez de Saro, F. J.; O'Donnell, M. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2001, 98, 8376.
65. Gomes, X. V.; Burgers, P. M. EMBO J. 2000, 19, 3811.
66. Chapados, B. R.; Hosfield, D. J.; Han, S.; Qiu, J.; Yelent, B.; Shen, B.; Tainer, J. A. Cell 2004, 116, 39.
67. Jonsson, Z. O.; Hindges, R.; Hubscher, U. EMBO J. 1998, 17, 2412.
68. Tom, S.; Henricksen, L. A.; Park, M. S.; Bambara, R. A. J. Biol. Chem. 2001, 276, 24817.
69. Mossi, R.; Ferrari, E.; Hubscher, U. J. Biol. Chem. 1998, 273, 14322.
70. Cai, J.; Gibbs, E.; Uhlmann, F.; Phillips, B.; Yao, N.; O'Donnell, M.; Hurwitz, J. J. Biol. Chem. 1997, 1997, 18974.
71. Bowman, G. D.; O'Donnell, M.; Kuriyan, J. Nature 2004, 429, 724.
72. Waga, S.; Stillman, B. Nature 1994, 369, 207.
73. Yuzhakov, A.; Kelman, Z.; Hurwitz, J.; O'Donnell, M. EMBO J. 1999, 18, 6189.
74. Chen, J.; Tomkinson, A. E.; Ramos, W.; Mackey, Z. B.; Danehower, S.; Walter, C. A.; Schultz, R. A.; Besterman, J. M.; Husain, I. Mol. Cell Biol. 1995, 15, 5412.
75. Lakshmipathy, U.; Campbell, C. Mol. Cell Biol. 1999, 19, 3869.
76. Thompson, L. H.; Brookman, K. W.; Jones, N. J.; Allen, S. A.; Carrano, A. V. Mol. Cell. Biol. 1990, 10, 6160.
77. Lakshmipathy, U.; Campbell, C. Nucleic Acids Res. 2001, 29, 668.
78. Lakshmipathy, U.; Campbell, C. Nucleic Acids Res. 2000, 28, 3880.
79. Mackey, Z. B.; Ramos, W.; Levin, D. S.; Walter, C. A.; McCarrey, J. R.; Tomkinson, A. E. Mol. Cell. Biol. 1997, 17, 989.
80. Koonin, E. V.; Alschul, S. F.; Bork, P. Nature Genetics 1996, 13, 266.
81. Nash, R. A.; Caldecott, K. W.; Barnes, D. E.; Lindahl, T. Biochemistry 1997, 36, 5207.
82. Taylor, R. M.; Wickstead, B.; Cronin, S.; Caldecott, K. W. Curr. Biol. 1998, 8, 877.
83. Taylor, R. M.; Moore, D. J.; Whitehouse, J.; Johnson, P.; Caldecott, K. W. Mol. Cell. Biol. 2000, 20, 735.
84. Zhang, X. E.; Morera, S.; Bates, P. A.; Whitehead, P. C.; Coffer, A. I.; Hainbucher, A. I.; Nash, R. A.; Sternberg, M. J.; Lindahl, T.; Freemont, P. S. EMBO J. 1998, 17, 6404.
85. Caldecott, K. W.; Aoufouchi, S.; Johnson, P.; Shall, S. Nucleic Acids Res. 1996, 24, 4387.
86. Kubota, Y.; Nash, R. A.; Klungland, A.; Schar, P.; Barnes, D. E.; Lindahl, T. EMBO J. 1996, 15, 6662.
87. Marsin, S.; Vidal, A. E.; Sossou, M.; Menissier-de Murcia, J.; Le Page, F.; Boiteux, S.; de Murcia, G.; Radicella, J. P. J. Biol. Chem. 2003, 278, 44068.
88. Masson, M.; Niedergang, C.; Schreiebr, V.; Muller, S.; Menissier de Murcia, J.; de Murcia, G. Mol. Cell. Biol. 1998, 18, 3563.
89. Vidal, A. E.; Boiteux, S.; Hickson, I. D.; Radicella, J. P. EMBO J. 2001, 20, 6530.
90. Whitehouse, C. J.; Taylor, R. M.; Thistlethwaite, A.; Zhang, H.; Karimi-Busheri, F.; Lasko, D. D.; Weinfeld, M.; Caldecott, K. W. Cell 2001, 104, 107.
91. Wiederhold, L.; Leppard, J. B.; Kedar, P.; Karimi-Busheri, F.; Rasouli-Nia, A.; Weinfeld, M.; Tomkinson, A. E.; Izumi, T.; Prasad, R.; Wilson, S. H.; Mitra, S.; Hazra, T. K. Mol. Cell 2004, 209.
92. Clements, P. M.; Breslin, C.; Deeks, E. D.; Byrd, P. J.; Ju, L.; Bieganowski, P.; Brenner, C.; Moreira, M. C.; Taylor, A. M.; Caldecott, W. DNA Repair 2004, 3, 1493.
93. Date, H.; Igarashi, S.; Sano, Y.; Takahashi, T.; Takahashi, T.; Takano, H.; Tsuji, S.; Nishizawa, M.; Onodera, O. Biochem. Biphys. Res. Commun. 2004, 325, 1279.
94. Gueven, N.; Becherel, O. J.; Kijas, A. W.; Chen, P.; Howe, O.; Rudolph, J. H.; Gatti, R.; Date, H.; Onodera, O.; Taucher-Sholz, G.; Lavin, M. F. Hum. Mol. Genet. 2004, 13, 1081.
95. Luo, H.; Chan, D. W.; Yang, T.; Rodriguez, M.; Chen, B. P.; Leng, M.; Mu, J. J.; Chen, D.; Songyang, Z.; Wang, Y.; Qin, J. Mol. Cell. Biol. 2004, 24, 8356.
96. El-Kamisy, S. F.; Saifi, G. M.; Weinfeld, M.; Johansson, F.; Helleday, T.; Lupski, J. R.; Caldecott, K. W. Nature 2005, 434, 108.
97. Leppard, J. B.; Dong, Z.; Mackey, Z. B.; Tomkinson, A. E. Mol. Cell. Biol. 2003, 23, 5919.
98. Okano, S.; Kanno, S.; Nakajima, S.; Yasui, A. J. Biol. Chem. 2000, 275, 32635.
99. Okano, S.; Lan, L.; Caldecott, K. W.; Mori, T.; Yasui, A. Mol. Cell. Biol. 2003, 23, 3974.
100. de Murcia, G.; de Murcia, J. M. Trends Biochem. Sci. 1994, 19, 172.
101. Mackey, Z. B.; Niedergang, C.; Murcia, J. M.; Leppard, J.; Au, K.; Chen, J.; de Murcia, G.; Tomkinson, A. E. J. Biol. Chem. 1999, 274, 21679.
102. Kulczyk, A. W.; Yang, J. C.; Neuhaus, D. J. Mol. Biol. 2004, 341, 723.
103. Grawunder, U.; Zimmer, D.; Kulesza, P.; Lieber, M. R. J. Biol. Chem. 1998, 273, 24708.
104. Grawunder, U.; Wilm, M.; Wu, X.; Kulesza, P.; Wilson, T. E.; Mann, M.; Lieber, M. R. Nature 1997, 388, 492.
105. Critchlow, S. E.; Bowater, R. P.; Jackson, S. P. Curr. Biol. 1997, 7, 588.
106. Modesti, M.; Junop, M. S.; Ghirlando, R.; van de Rakt, M.; Gellert, M.; Yang, W.; Kanaar, R. J. Mol. Biol. 2003, 334, 215.
107. Junop, M. S.; Modesti, M.; Guarne, A.; Ghirlando, R.; Gellert, M.; Yang, W. EMBO J. 2000, 19, 5962.
108. Sibanda, B. L.; Critchlow, S. E.; Begun, J.; Pei, X. Y.; Jackson, S. P.; Blundell, T. L.; Pellegrini, L. Nat. Struct. Biol. 2001, 8, 1015.
109. Frank, K. M.; Sekiguchi, J. M.; Seidl, K. J.; Swat, W.; Rathbun, G. A.; Cheng, H. L.; Davidson, L.; Kangaloo, L.; Alt, F. W. Nature 1998, 396, 173.
110. Grawunder, U.; Zimmer, D.; Fugmann, S.; Schwartz, K.; Lieber, M. Mol. Cell 1998, 2, 477.
111. O'Driscoll, M.; Cerosaletti, K. M.; Girard, P. M.; Dai, Y.; Stumm, M.; Kysela, B.; Hirsch, B.; Gennery, A.; Palmer, S. E.; Seidel, J.; Gatti, R. A.; Varon, R.; Oettinger, M. A.; Neitzel, H.; Jeggo, P. A.; Concannon, P. Mol. Cell. 2001, 8, 1175.
112. Chen, L.; Trujillo, K.; Sung, P.; Tomkinson, A. E. J. Biol. Chem. 2000, 275, 26196.
113. DeFazio, L. G.; Stansel, R. M.; Griffith, J. D.; Chu, G. EMBO J. 2002, 21, 3192.
114. Yaneva, M.; Kowaleski, T.; Lieber, M. R. EMBO J. 1997, 16, 5098.
115. West, R. B.; Yaneva, M.; Lieber, M. R. Mol. Cell. Biol. 1998, 18, 5908.
116. Nick McElhinny, S. A.; Snowden, C. M.; McCarville, J.; Ramsden, D. Mol. Cell. Biol. 2000, 20, 2996.
117. Ramsden, A.; Gellert, M. EMBO J. 1998, 17, 609.
118. Walker, J. R.; Corpina, R. A.; Goldberg, J. Nature 2001, 412, 607.
119. Leuther, K. K.; Hammarsten, O.; Kornberg, R. D.; Chu, G. EMBO J. 1999, 18, 1114.
120. Herrman, G.; Lindahl, T.; Schar, P. EMBO J 1998, 17, 4188.
121. Chen, L.; Trujillo, K.; Ramos, W.; Sung, P.; Tomkinson, A. E. Mol. Cell. 2001, 8, 1105.
122. Kramer, K. M.; Brock, J. A.; Bloom, K.; Moore, J. K.; Haber, J. E. Mol. Cell. Biol. 1994, 14, 1293.
123. Moore, J. K.; Haber, J. Mol. Cell. Biol. 1996, 16, 2164.
124. Roth, D. B.; Wilson, J. H. Mol. Cell. Biol. 1986, 6, 4295.
125. Ma, Y.; Lu, H. B.; Tippin, B.; Goodman, M. F.; Shimazaki, N.; Koiwai, O.; Hsieh, C. L.; Schwartz, K.; Lieber, M. R. Mol. Cell 2004, 16, 701.
126. Lee, J. W.; Blanco, L.; Zhou, T.; Garcia-Diaz, M.; Bebenek, K.; Kunkel, T. A.; Wang, Z.; Povirk, L. F. J. Biol. Chem. 2004, 279, 805.
127. Tseng, H. M.; Tomkinson, A. E. J. Biol. Chem. 2002, 277, 45630.
128. Tseng, H. M.; Tomkinson, A. E. J. Biol. Chem. 2004, 279, 47588.
129. Schwede, T.; Kopp, J.; Guex, N.; Peitsch, M. C. Nucleic Acids Res. 2003, 31, 3381-3385.