连接酶 IV，DNA，ATP 依赖性； LIG4

DNA连接酶IV

HGNC 批准的基因符号：LIG4

细胞遗传学位置：13q33.3 基因组坐标（GRCh38）：13:108,207,442-108,218,349（来自 NCBI）

▼ 克隆与表达

魏等人（1995）从 HeLa 细胞中纯化并克隆了一种新型 DNA 连接酶，称为 LIG4。他们发现该 cDNA 编码 844 个氨基酸的多肽，预测质量为 96 kD，与观察到的纯化酶的大小一致。

▼ 测绘

魏等人（1995）使用荧光原位杂交将 LIG4 基因定位到染色体 13q33-q34。

▼ 基因功能

Robins 和 Lindahl（1996）纯化并表征了 LIG4。他们发现该蛋白质与 DNA 连接酶 III-XRCC1（194360）复合物共洗脱，表明 LIG4 也可能是蛋白质复合物的一部分。在 HeLa 细胞中，LIG4 部分以酶-腺苷酸复合物的形式存在。LIG4 在 ATP 依赖性反应中有效连接双链多脱氧核苷酸中的单链断裂。Robins 和 Lindahl（1996）还报道，LIG4 与连接酶 I 和 III 的不同之处在于其底物特异性。

格劳恩德等人（1998）表明，对人类前 B 细胞系中的两个 DNA 连接酶 IV 等位基因进行靶向破坏，使细胞对电离辐射和消除的 V（D）J 重组敏感。这种表型只能通过与 DNA 连接酶 IV 互补来逆转，而不能通过表达其余 2 个连接酶（DNA 连接酶 I 或 III）中的任何一个来逆转。因此，DNA 连接酶 IV 负责非同源 DNA 末端连接和 V（D）J 重组中的连接步骤。

严等人（2007）通过检测 Xrcc4（194363）或 Lig4 缺陷型 B 细胞中的 CSR，评估了经典的非同源末端连接（NHEJ）途径是否对于类别转换重组（CSR）至关重要。经典 NHEJ 确实催化了 CSR 连接，因为经典 NHEJ 缺陷的 B 细胞的 CSR 降低，并且 IgH 基因座（147100）染色体断裂水平较高。然而，另一种末端连接途径明显偏向于微同源连接，在经典 NHEJ 缺陷的 B 细胞中以出乎意料的强劲水平支持 CSR。在缺乏经典 NHEJ 的情况下，这种替代末端连接途径也经常将 IgH 位点断裂连接到其他染色体以产生易位。

▼ 分子遗传学

LIG4综合征

奥德里斯科尔等人（2001）鉴定了 4 名具有 LIG4 基因突变（R278H; 601837.0004）特征的患者，其特征包括免疫缺陷、发育和生长迟缓。他们将这种综合征称为 LIG4 综合征（606593）。临床表型与 DNA 损伤反应障碍、奈梅亨断裂综合征（NBS; 251260）非常相似。在患者中发现的一些突变直接破坏了连接酶结构域，而其他突变则损害了 LIG4 和 XRCC4 之间的相互作用（194363）。来自患者的细胞系表现出明显的放射敏感性。与 NBS 细胞系不同，它们表现出正常的细胞周期检查点反应，但 DNA 双链断裂重新连接受损。观察到意外的 V（D）J 重组表型，涉及重新连接频率的小幅下降以及信号连接处不精确性的增加。

吉拉德等人（2004）表明 5 名 LIG4 综合征患者的临床严重程度与残留连接酶活性水平相关。发现两个连锁多态性（A3V 和 T9I）可将 DNA 连接酶 IV 的活性降低约 2 倍。当与其他轻微的 R278H 突变结合时，连接酶活性降低至与患有免疫缺陷和发育迟缓的 LIG4 患者相似的水平。

本-奥姆兰等人（2005）报道了一名患有急性 T 细胞白血病的 4 岁男孩，其面部格式塔让人想起奈梅亨断裂综合征。NBS1基因（602667）突变筛查阴性；LIG4 基因测序揭示了截短突变的纯合性（R814X；601837.0002）。

van der Burg 等人在患有 LIG4 综合征的患者中（2006）鉴定了 LIG4 基因中的纯合突变（601837.0007）。

多发性骨髓瘤，耐药

罗丹等人（2002）研究了 2 个 LIG4 多态性——ala3 变为 val（A3V; 601837.0005）和 thr9 变为 ile（T9I; 601837.0006）（两者均由 C-to-T 转换引起）对几种淋巴增殖性疾病易感性的潜在影响，包括白血病、淋巴瘤和多发性骨髓瘤（254500），一种以异常免疫球蛋白类别转换重组为特征的肿瘤。A3V CT 和 T9I CT 和 TT 基因型与患多发性骨髓瘤的风险降低显着相关。多态性处于连锁不平衡状态，并且发现与其相关的保护作用是A3V-T9I CT和A3V-T9I TT单倍型遗传的结果。这些数据表明 NHEJ LIG4 的遗传变异可能会调节多发性骨髓瘤的易感性。

关联待确认

库舍尔等人（2002）在一项基于人群的乳腺癌病例对照研究中进行了遗传关联研究，分析了涉及 DNA 修复的 7 个基因的多态性。在非同源末端连接（NHEJ）途径评估的基因中，LIG4 的多态性与乳腺癌风险降低相关。在切除修复基因 XRCC3（600675）中，2 个单倍型 AGC 和 GGC 与乳腺癌风险的非显着降低相关，而罕见的 GAT 单倍型与风险显着增加相关。作者假设 DNA 修复效率的变异可能会改变乳腺癌风险。

▼ 动物模型

在小鼠中，Lig4 完全缺乏会导致胚胎死亡、大量神经元凋亡、淋巴生成停滞和各种细胞缺陷（Frank 等，1998）。弗兰克等人（2000）评估了 INK4a/ARF（CDKN2A; 600160）和 p53（191170）这两种与细胞凋亡和衰老有关的蛋白质在该表型中的潜在作用。Ink4a/Arf 缺陷可以挽救 Lig4 缺陷的成纤维细胞的增殖/衰老缺陷，但不能挽救其他表型方面。相比之下，p53 缺陷可以挽救胚胎致死、神经元凋亡和成纤维细胞增殖/衰老缺陷，但不能挽救淋巴细胞发育或放射敏感性。年轻的 Lig4/p53 双无效小鼠通常死于 B 型淋巴瘤。因此，在 Lig4 缺陷的情况下，胚胎致死和神经元凋亡可能是由于 p53 依赖性对未修复的 DNA 损伤的反应造成的，并且神经元凋亡和淋巴细胞发育缺陷可以在机械上分离。

Sharpless 等人使用易发肿瘤的小鼠菌株（Ink4a/Arf -/-）（2001）研究了非同源末端连接（NHEJ）成分 Lig4 的单倍体不足对小鼠肿瘤发生的影响。Lig4杂合性促进了具有克隆扩增、缺失和易位的软组织肉瘤的发展。Mdm2（164785）（人类肉瘤中已知的致癌基因）频繁扩增的发现支持了这些基因组改变与肿瘤发生相关。总之，这些发现支持这样的观点：单个 Lig4 等位基因的缺失会导致 NHEJ 活性充分降低，从而产生驱动非淋巴肿瘤发生的染色体畸变。

李等人（2000）发现 Lig4 -/- 小鼠发育中的神经系统中的所有细胞凋亡都需要 Atm（607585），这是一种丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶，可作为 DNA 损伤传感器响应 DNA 双链断裂。所有同样缺乏 Atm 的 Lig4 -/- 胚胎都完全没有异常细胞凋亡。

米尔斯等人（2004）创建了 Rad54（604289）/Lig4 双突变小鼠，并确定这些因子协同支持细胞增殖、修复自发双链断裂并防止染色体和单染色单体畸变。

奈尼克等人（2007）发现了一种独特的小鼠菌株，具有低等态 Lig4（Y288C）突变。通过诱变筛选程序鉴定的 Lig4（Y288C）小鼠是人类 LIG4 综合征（606593）的小鼠模型，显示出免疫缺陷和生长迟缓。Lig4（Y288C）菌株中DNA双链断裂修复的减少导致衰老过程中造血干细胞和骨髓细胞结构逐渐丧失，并严重损害组织培养和移植中的干细胞功能。因此，造血干细胞对非同源末端连接缺陷的敏感性是其随着时间的推移维持自身抵抗生理应激以及耐受培养和移植的能力的关键决定因素。

Nijnik 等人使用流式细胞术、ELISA 和免疫荧光显微镜（2009）在 Lig4（Y288C）小鼠中发现了淋巴细胞发育和功能的多种缺陷，包括 V（D）J 重组受损、外周淋巴细胞存活和增殖以及 B 细胞类别转换重组。Lig4（Y288C）小鼠胸腺肿瘤的发生率也很高。奈尼克等人（2009）提出，类别转换受损是 LIG4 综合征免疫功能受损的基础，LIG4 亚形突变可能会导致淋巴恶性肿瘤的易感性，并且免疫系统功能中存在多个 NHEJ 依赖性过程，

鲁奇等人（2010）发现携带纯合 R278H Lig4 突变（601837.0004）的转基因小鼠生长迟缓、寿命缩短、生育能力下降、细胞对电离辐射严重敏感，并且 V（D）J 重组存在严重但不完全的缺陷。 B 细胞和 T 细胞发育不完全阻断的免疫细胞。胸腺和脾脏较小，T 细胞数量减少。外周 T 淋巴细胞表现出活化且无反应的表型、活力降低和功能受限，而 B 细胞则产生包括自身反应特异性的低亲和力抗体。然而，突变小鼠无法产生高亲和力抗体反应。小鼠表现出与基因组不稳定相关的高频率胸腺肿瘤。该表型让人想起漏出的人类严重联合免疫缺陷（SCID）。

▼ 等位基因变异体（7 个精选示例）：

.0001 LIG4 综合征
LIG4，ARG580TER

奥德里斯科尔等人（2001）在患有 LIG4 综合征的 2 名同胞（患者 2303 和 2304）中发现了 LIG4 基因的 1738C-T 转变（606593）。该突变导致 arg580-to-ter 取代（R580X）。患者为复合杂合子；另一个 LIG4 等位基因的突变是 R814X（601837.0002）。2例患者的表型分别为46岁和48，包括小头畸形、生长迟缓、全血细胞减少、骨髓增生异常、慢性呼吸道感染、光敏性、毛细血管扩张、甲状腺功能减退、II型糖尿病和性腺功能减退症。

.0002 LIG4 综合征
LIG4，ARG814TER

奥德里斯科尔等人（2001）在患有 LIG4 综合征的 2 名同胞（患者 2303 和 2304）中发现了 LIG4 基因的 2440C-T 转变（606593）。该突变导致 arg814-to-ter 取代（R814X）。患者为复合杂合子；另一个等位基因具有 R580X 突变（601837.0001）。奥德里斯科尔等人（2001）还在另一位 LIG4 综合征患者（患者 99P0149）中发现了 arg814-to-ter 突变，该患者是复合杂合子；该患者的另一个 LIG4 突变是 gly469 突变为 glu（601837.0003）。

Ben-Omran 等人在一名患有急性 T 细胞白血病和面部完形（让人想起奈梅亨断裂综合征）的 4 岁男孩中进行了研究（2005）鉴定了 LIG4 基因中 R814X 的纯合性。

.0003 LIG4 综合征
LIG4，GLY469GLU

奥德里斯科尔等人（2001）在患有 LIG4 综合征的患者 99P0149（606593）中发现了 LIG4 基因第 1406 位核苷酸处的 G 到 A 转变。该突变导致 LIG4 中的 gly469 替换为 glu（G469E）。患者为复合杂合子；另一个 LIG4 等位基因的突变是 R814X（601837.0002）。该患者9，表型包括小头畸形、发育和智力迟缓、全血细胞减少、多发性银屑病样红皮病皮肤斑块和非典型骨成熟。

.0004 LIG4 综合征
LIG4，ARG278HIS

奥德里斯科尔等人（2001）在患有 LIG4 综合征（606593）的患者 411BR 的 LIG4 基因中鉴定出 3 个纯合氨基酸取代：ala3 至 val，由核苷酸 8 处的 C-to-T 转换产生，thr9 至 ile，由 C-产生核苷酸 26 处的 arg278 转变为 his，由核苷酸 833 处的 G 转变为 A 转变。arg278 转变为 his 的突变与患者 180BR 中发现的突变相同，该患者患有白血病，其细胞系为放射敏感性和双链断裂修复缺陷，Riballo 等人（1999）。arg278 残基位于包含活性位点的高度保守基序内，并且该取代被证明会显着损害 LIG4 功能（Riballo 等人，2001）。患者 411BR 中的另外 2 个氨基酸替换，即 ala3 替换为 val（A3V；601837.0005）和 thr9 替换为 ile（T9I；601837.0006），被认为可能是多态性变异，可能会加重所产生的表型。患者 411BR 9 ，表型包括出生时小头畸形、发育和智力迟缓、全血细胞减少症和广泛的足底疣。

.0005 多发性骨髓瘤，
LIG4、ALA3VAL耐药

罗丹等人（2002）鉴定了 LIG4 基因中由 8C-T 转换引起的 A3V 多态性。发现这种多态性的 CT 基因型与患多发性骨髓瘤的风险降低 2 倍相关（254500）。第二个多态性，thr9 到 ile（T9I; 601837.0006），也是由于 C 到 T 的转变（在核苷酸 26 处），也与多发性骨髓瘤风险降低相关。T9I 多态性的 CT 和 TT 基因型分别与患多发性骨髓瘤的风险降低 1.5 倍和 4 倍相关，表明该多态性存在基因剂量效应。2个变异等位基因处于连锁不平衡状态，并且发现与这些多态性相关的保护作用是A3V-T9I CT和A3V-T9I TT单倍型遗传的结果。

.0006 多发性骨髓瘤，
LIG4、THR9ILE耐药

参见 601837.0005 和 Roddam 等人（2002）。

.0007 LIG4 综合征
LIG4，3-BP DEL，5333CAA

van der Burg 等人在一名 T 细胞阴性、B 细胞阴性、NK 细胞阳性严重联合免疫缺陷且对电离辐射敏感的患者中（606593）（2006）在 LIG4 基因中鉴定出纯合 3-bp 缺失（5333delCAA），导致该蛋白催化结构域中 2 个保守片段之间的第 433 位谷氨酰胺（Gln433del）缺失。该患者的父母是土耳其近亲所生，在第二年出现严重的反复感染和念珠菌病。她没有畸形特征或神经系统异常。实验室分析显示免疫球蛋白减少，B 细胞和 T 细胞数量减少，NK 细胞水平正常，LIG4 蛋白水平几乎检测不到。对患者细胞的进一步分析显示，V（D）J 重组存在缺陷，并伴有大量核苷酸缺失，这显然是由于延迟连接过程中核酸外切酶活性延长所致。