目次
DNAリガーゼとは、DNAの鎖の切れ目をつなぎ合わせて1本にする酵素です。英語では DNA ligase（ディーエヌエー・リガーゼ）で、「DNAライゲース」とも呼ばれます。DNAのコピー（複製）や傷の修復の最後に、残った切れ目を閉じる「のり」の役目をしています。この記事では、DNAリガーゼの働きと役割、ATPを使ってつなぐ反応のしくみ、岡崎フラグメントとの関係、DNAポリメラーゼ・制限酵素・ヘリカーゼとの違い、遺伝子組換えや遺伝子検査での使われ方、そしてヒトのリガーゼの遺伝子（LIG1・LIG3・LIG4）の変化で起こる病気までを解説します。
⏱️ 30秒でわかる要約
🎯 Q. DNAリガーゼとは簡単に言うと？
DNAの鎖にできた切れ目（ニック）をつないで閉じる酵素です。となり合う2つのヌクレオチドの間を、ホスホジエステル結合で結び直します。
🎯 Q. 体の中での役割は？
DNA複製で細切れに作られる岡崎フラグメントをつなぐことと、傷ついたDNAを直す修復の最後の仕上げです。ヒトにはLIG1・LIG3・LIG4の3種類があり、役割を分けています。
🎯 Q. DNAポリメラーゼとの違いは？
ポリメラーゼは鋳型を写してヌクレオチドを1つずつ足し、鎖をのばす酵素です。リガーゼは新しい塩基は足さず、最後に残った切れ目を閉じるだけです。
🎯 Q. 制限酵素との違いは？
制限酵素はDNAを決まった場所で「切る」はさみ、DNAリガーゼは「つなぐ」のりです。この2つを組み合わせたのが遺伝子組換えの基本です。
🎯 Q. リガーゼの遺伝子の病気はある？
LIG4遺伝子の両方のコピーが働かないと、小頭症・成長の遅れ・免疫不全・放射線への強い弱さが出るLIG4症候群になります。LIG4は当院の拡大版保因者検査（女性787遺伝子・1009遺伝子）の一覧に入っています。
🔗 DNAリガーゼの基本情報
| 項目 | 内容 |
|---|---|
| 読み方・英語 | ディーエヌエー・リガーゼ。DNA ligase。別名 DNAライゲース |
| ひとことで言うと | DNAの鎖の切れ目（ニック）をつなぐ酵素（DNAのり）[1] |
| 何をつなぐ | 一方の端の5’リン酸と、もう一方の端の3’水酸基（-OH）をホスホジエステル結合で結ぶ[2] |
| エネルギー源 | ヒト・ウイルス（T4ファージ）はATP、大腸菌など多くの細菌はNAD+[1] |
| ヒトのDNAリガーゼ | LIG1（複製）・LIG3（修復・ミトコンドリア）・LIG4（二本鎖切断の修復）[3] |
| 酵素の分類 | リガーゼ（合成酵素）の仲間。EC 6.5.1.1（ATP依存型）、EC 6.5.1.2（NAD+依存型） |
| 関係する病気 | LIG4症候群、LIG1欠損症（免疫不全）、LIG3の変化によるミトコンドリア病[8][9][10] |
DNAリガーゼとは？
DNAリガーゼとは、2本鎖DNAの片方の鎖にできた切れ目をつなぎ、途切れのない1本の鎖に戻す酵素です[1]。DNAは、糖とリン酸が交互につながった骨組み（背骨）に、A・T・G・Cの塩基が並んだ分子です。この骨組みのどこかが切れたままだと、遺伝情報を正しく保てません。
DNAのコピーや修復では、どうしても途中に切れ目が残ります。最後にその切れ目を閉じるのがDNAリガーゼです。DNAリガーゼの働きがなければ、DNAは細切れのまま残ってしまいます。リガーゼの働きを失うと細胞が生きられなくなったり、DNAを傷つけるものに弱くなったりすることがわかっています[2]。
💡 用語解説：ニック（nick）
2本鎖DNAのうち、片方の鎖の骨組みだけが1か所切れている状態です。塩基は欠けておらず、となり合う2つのヌクレオチドの間の結合だけが外れています。DNAリガーゼが一番得意とする相手が、このニックです。
「リガーゼ」とは？何酵素？
リガーゼ（ligase）は、ラテン語の「結ぶ（ligare）」に由来する言葉です。酵素の大きな分類の1つで、ATPなどのエネルギーを使って2つの分子を結合させる酵素をまとめてリガーゼ（合成酵素）と呼びます。DNAリガーゼは、そのなかでDNAをつなぐ酵素です。
「リガーゼ」と名の付く酵素はほかにもあります。RNAの端どうしをつなぐRNAリガーゼや、タンパク質に目印のユビキチンを付けるユビキチンリガーゼ（E3）です。ユビキチンリガーゼはタンパク質を相手にする酵素で、DNAリガーゼとは別物です。ユビキチンの働きはユビキチンとはで解説しています。
DNAリガーゼがDNAをつなぐしくみ（反応）
DNAリガーゼがつなぐのは、切れ目の片側の5’末端のリン酸と、もう片側の3’末端の水酸基（-OH）です。この2つの間に、DNAの骨組みと同じホスホジエステル結合を作ります[2]。
💡 用語解説：ホスホジエステル結合（phosphodiester bond）
DNAの糖と次の糖を、リン酸をはさんでつなぐ結合です。リン酸ジエステル結合とも呼びます。DNAの骨組みそのもので、制限酵素はこの結合を切り、DNAリガーゼはこの結合を作り直します。くわしくはホスホジエステル結合とはで解説しています。
ただし、この結合はそのままでは自然にできません。そこでDNAリガーゼは、ATP（またはNAD+）からエネルギーを借ります。反応は次の3つの段階で進みます[1][2]。
● 第1段階：リガーゼ自身がATPと反応し、ATPの一部（AMP）を自分のリシンというアミノ酸に結びつけます（酵素のアデニル化）。
● 第2段階：そのAMPを、DNAの切れ目の5’末端のリン酸に移します。リン酸が「つながりやすい状態」に変わります。
● 第3段階：反対側の3’末端の水酸基がそのリン酸に結合し、ホスホジエステル結合ができます。AMPは外れ、切れ目が閉じます。
ATPは細胞のエネルギーの通貨です。ATPの働きはATP（アデノシン三リン酸）とはで解説しています。結晶構造の研究から、DNAリガーゼはアルファベットのCのような形で切れ目のあるDNAを抱きかかえてつなぐことがわかっています[1]。
ATPを使うリガーゼとNAD+を使うリガーゼ
ヒトなどの真核生物やウイルスのDNAリガーゼはATPを使います。一方、大腸菌など多くの細菌のDNAリガーゼはNAD+を使います[1]。エネルギー源が違っても、AMPを使って3段階でつなぐ流れは同じです。
細菌のNAD+依存型リガーゼはヒトにない型です。そのため、細菌だけを狙う新しい抗菌薬の標的として研究されています[1]。
DNAリガーゼの働きと役割 ― 体の中で何をしている？
ヒトの細胞には、LIG1・LIG3・LIG4という3つの遺伝子から作られるDNAリガーゼがあります。それぞれ組む相手のタンパク質が違い、担当する場面を分けています[3]。
| ヒトのリガーゼ | 主な担当 | 組む相手 |
|---|---|---|
| DNAリガーゼI（LIG1） | DNA複製で岡崎フラグメントをつなぐ。長い範囲の塩基除去修復 | PCNA（複製の足場） |
| DNAリガーゼIII（LIG3） | 一本鎖の切れ目の修復、短い範囲の塩基除去修復。ミトコンドリアDNAの複製と修復 | XRCC1 |
| DNAリガーゼIV（LIG4） | 二本鎖切断を直接つなぐ非相同末端結合。抗体を作るV(D)J組換え | XRCC4・XLF |
出典：Ellenberger 2008[3]、Chang 2017[11]をもとに作成
DNA複製 ― 岡崎フラグメントをつなぐ
DNAをコピーするとき、2本の鎖はほどかれ、それぞれが鋳型（いがた）になります。新しい鎖を作るDNAポリメラーゼは、5’→3’の一方向にしか鎖をのばせません。そのため、ほどける向きと逆に作る鎖（ラギング鎖）は、短い断片に分けて作られます。この断片が岡崎フラグメントです。
断片どうしの間には、最後に切れ目（ニック）が残ります。この切れ目をつないで1本の長い鎖に仕上げるのが、ヒトではLIG1の役割です[3]。ポリメラーゼは「隙間を埋める」ことはできても、最後の1か所の結合は作れません。だから岡崎フラグメントの連結にはリガーゼが欠かせないのです。断片ができる理由は岡崎フラグメントとは、複製の全体の流れはDNA複製とはで解説しています。
DNA修復 ― 修復の「最後の仕上げ」
DNAには、紫外線や活性酸素などで毎日たくさんの傷がつきます。傷を直す修復は「見つける→切り取る→埋める→つなぐ」という順で進み、最後の「つなぐ」をDNAリガーゼが担います[3]。
たとえば、傷んだ塩基を1つ取り替える塩基除去修復では、ポリメラーゼが埋めた後の切れ目を、LIG3（XRCC1と組む）またはLIG1が閉じます[3]。修復にかかわる酵素の全体像はDNA修復酵素とはで整理しています。
二本鎖切断の修復と免疫 ― LIG4の役割
放射線などでDNAの2本の鎖が両方とも切れる「二本鎖切断」は、最も危険な傷の1つです。ヒトの細胞では、切れた端どうしを手本なしで直接つなぐ非相同末端結合（NHEJ）がよく使われ、その最後のつなぎ役がLIG4です[11]。
💡 用語解説：非相同末端結合（NHEJ：non-homologous end joining）
切れたDNAの2つの端を、手本になる配列を使わずに直接つなぐ修復のしくみです。素早く直せますが、つなぎ目で数塩基が欠けたり入ったりすることがあります。手本を使う相同組換えと使い分けられています。
この非相同末端結合は、免疫にも使われています。リンパ球が抗体やT細胞受容体を作るとき、遺伝子の部品をわざと切って組み合わせ直します。これをV(D)J組換え（VDJ再構成）といい、切った部品をつなぐのもLIG4です[7][11]。LIG4が働かないと、放射線に弱くなるだけでなく、リンパ球がうまく作れず免疫不全になります。くわしいしくみは非相同末端結合（NHEJ）とはで解説しています。
ミトコンドリアDNAを守る ― LIG3の役割
ミトコンドリアは、核とは別に自分のDNA（ミトコンドリアDNA）を持っています。ミトコンドリアの中で働くDNAリガーゼはLIG3です[3][10]。LIG3が働かないと、ミトコンドリアDNAを保てなくなり、その量が減ってしまいます[10]。ミトコンドリアDNAについてはmtDNA（ミトコンドリアDNA）とはをご覧ください。
DNAリガーゼとDNAポリメラーゼ・制限酵素・ヘリカーゼの違い
DNAにはたらく酵素は名前が似ていて、試験でもよく比べて問われます。DNAリガーゼは「切れ目を閉じる」ことだけに特化した酵素で、ほかの酵素とは役割がはっきり分かれています。
| 酵素 | はたらき | DNAリガーゼとの違い |
|---|---|---|
| DNAリガーゼ | DNAの鎖の切れ目（ニック）をホスホジエステル結合でつなぐ | ― |
| DNAポリメラーゼ | 鋳型を写してヌクレオチドを1つずつ足し、新しい鎖をのばす | ポリメラーゼは塩基を「足す」。リガーゼは塩基を足さず、最後の切れ目を「閉じる」 |
| 制限酵素 | 決まった塩基配列の場所でDNAを切る | 反対のはたらき。「はさみ」に対する「のり」 |
| DNAヘリカーゼ | 2本鎖のDNAをほどいて1本ずつにする | 塩基どうしの水素結合を外す。骨組みは切らず、つなぎもしない |
| ユビキチンリガーゼ（E3） | タンパク質にユビキチンを付ける | 名前は同じ「リガーゼ」でも、相手はDNAではなくタンパク質 |
DNAリガーゼとDNAポリメラーゼの違い
いちばん混同されやすいのがこの2つです。ポリメラーゼは「鎖をのばす」酵素、リガーゼは「鎖と鎖をつなぐ」酵素と覚えると区別しやすくなります。
ポリメラーゼは、鋳型の塩基に合うヌクレオチドを選び、3’末端に1つずつ足していきます。けれども、すでにある2本の鎖の端どうしを結ぶことはできません。そこで、ポリメラーゼが隙間を埋め終えた後に、リガーゼが最後の1か所をつなぎます。岡崎フラグメントの連結は、2つの酵素がリレーで仕上げる代表例です[3]。
DNAリガーゼと制限酵素・ヘリカーゼの違い
制限酵素は、DNAの決まった配列を見つけて骨組みを切る酵素です。DNAリガーゼは、その切れた骨組みをつなぎ直します。2つは反対の働きで、制限酵素で切ってリガーゼでつなぐのが遺伝子組換えの基本の操作です。制限酵素のしくみや切断部位は制限酵素とはで解説しています。
DNAヘリカーゼは、複製の最初に2本鎖をほどく酵素です。ほどくのは塩基どうしの水素結合で、鎖の骨組みには手を付けません。複製の流れでいえば、ヘリカーゼが「最初」、リガーゼが「最後」に働きます。ヘリカーゼについてはDNAヘリカーゼとはをご覧ください。
遺伝子組換え・遺伝子検査でのDNAリガーゼの使われ方
DNAリガーゼは1967年、大腸菌の抽出液がλ（ラムダ）ファージのDNAの両端をつないで輪にする現象の研究などから見つかりました[4]。この「DNAをつなぐ酵素」が、のちに遺伝子工学の欠かせない道具になります。
遺伝子組換え ― 切ってつなぐ
1973年、制限酵素で切った2種類のプラスミド（細菌の小さな環状DNA）の断片をつなぎ合わせ、大腸菌の中で働かせる実験が報告されました[5]。切ってつないだDNAを運び役（ベクター）にして細胞に入れる、組換えDNA技術の始まりです。この方法で、ほかの生き物の遺伝子も組み込めるようになりました。遺伝子を取り出して増やす方法はクローニングとはで解説しています。
実験でよく使われるのは、大腸菌に感染するT4ファージのDNAリガーゼ（T4 DNAリガーゼ）です。T4 DNAリガーゼはATPを使い、飛び出した部分がぴったり合う付着末端だけでなく、飛び出しのない平らな切り口（平滑末端）どうしもつなげます[2]。ただし、平滑末端は付着末端より結合の効率が低くなります。
遺伝子検査 ― MLPA法
DNAリガーゼは、病気の遺伝子を調べる検査にも使われています。その1つがMLPA法（多重ライゲーション依存性プローブ増幅法）です。調べたい場所に2つの短いDNA（プローブ）をとなり合わせて結合させ、リガーゼでつなぎます[6]。
目的の配列があるときだけプローブがつながり、つながったものだけがPCRで増えます。この性質を使うと、遺伝子の一部が丸ごと欠けていないか（欠失）、増えていないか（重複）を、数十か所まとめて1回で比べられます[6]。原理と使われ方はMLPA（多重ライゲーション依存性プローブ増幅法）とはで解説しています。
DNAリガーゼの遺伝子（LIG1・LIG3・LIG4）と病気
DNAリガーゼは生きるのに欠かせない酵素で、働きを完全に失うと細胞が生きられなくなります[2]。病気として報告されているのは、働きが弱まった変化を、両親から1つずつ受け継いだ場合です[7][9]。どれも常染色体潜性（劣性）遺伝のまれな病気です[8][9][10]。
LIG4症候群（DNAリガーゼIV欠損症）
LIG4症候群は、13番染色体にあるLIG4遺伝子の変化で起こります。2001年に、発達の遅れと免疫不全のある4人の患者さんで、LIG4遺伝子の変化が報告されました[7]。2016年の総説の時点で、世界で報告されたのは28人です[8]。
● 小頭症：生まれつき頭が小さく、28人中26人にみられた、最も多い特徴です[8]。
● 成長の遅れ：おなかの中にいるときから成長がゆっくりです[8]。
● 免疫不全：リンパ球がうまく作れず、複合免疫不全や重症複合免疫不全症（SCID）になることがあります[8]。
● 血球の減少：骨髄の働きが弱まり、輸血が必要になることがあります[8]。
● 放射線への強い弱さ：これまで報告された患者さんは全員が放射線に弱い体質でした。リンパ腫などのがんが報告されています[8]。
症状は、ナイミーヘン染色体不安定症候群とよく似ています[7]。こちらはNBN遺伝子の変化で起こる病気です。
⚠️ LIG4症候群とわかったら：放射線をできるだけ避ける
総説では、放射線を浴びる量をできるだけ減らし、レントゲンやCTも必要なものに絞ることがすすめられています。免疫不全には造血幹細胞移植で治る例がありますが、移植前の処置に放射線を使わないなどの工夫が必要です。移植で小頭症や発達の遅れは変わりません[8]。診断と治療は、小児科・免疫の専門医療機関で行われます。
LIG1欠損症（DNAリガーゼI欠損症）
2018年、LIG1遺伝子の両方のコピーに変化がある5人（3家系）の患者さんが報告されました[9]。抗体（免疫グロブリン）が少ない、リンパ球が少ない、赤血球が大きい（大球性）といった特徴があります。軽い抗体の不足から、造血幹細胞移植が必要な複合免疫不全まで、重さには幅があります[9]。
LIG3の変化によるミトコンドリア病
2021年には、LIG3遺伝子の変化がある7人（3家系）の患者さんが報告されました[10]。腸がうまく動かない重い消化管の症状と、脳の白質の異常（白質脳症）、てんかん、片頭痛、脳卒中のような発作、排尿の障害などの神経の症状がみられました。ミトコンドリアDNAの量が減っていたことから、ミトコンドリアの病気の新しいタイプと考えられています[10]。
遺伝のしかたと当院で受けられる検査
常染色体潜性遺伝では、両親が症状のない保因者で、それぞれ変化を1つずつ持っている場合に病気が現れます。両親がともに保因者なら、お子さんが病気になる確率は妊娠のたびに4分の1（25%）です。
💡 用語解説：保因者（キャリア）
病気の原因になる遺伝子の変化を、2つのコピーのうち1つだけ持っている人です。もう1つのコピーが働くため、ふつうは症状がありません。自分が保因者かどうかは、遺伝子を調べないとわかりません。
当院では、DNAリガーゼの病気にかかわる遺伝子を、遺伝カウンセリングとあわせて調べています。
● 拡大版保因者検査（女性787遺伝子）：妊娠の前に、症状のない親が保因者かどうかを調べます。LIG4は女性787遺伝子・女性1009遺伝子の一覧に入っています。あわせて、症状がよく似たナイミーヘン症候群のNBNも一覧に入っています。費用は税込253,000円（1009遺伝子は税込275,000円）で、唾液・頬の粘膜の検体を使い、オンライン診療でも受けられます。
● カスタマイズ遺伝子パネル検査：ご家族にLIG1・LIG3・LIG4などの病気の方がいて、決まった遺伝子を調べたい場合に、遺伝子を選んで調べます。費用は1遺伝子275,000円、2遺伝子以上363,000円（税込）です。
妊娠中には、お母さんの血液で赤ちゃんの染色体などを調べる東京のNIPT（新型出生前診断）も受けられます。NIPTはスクリーニング（ふるい分け）の検査なので、陽性なら確定検査で確かめます。当院では確定検査まで院内で受けられます。検査の前後に何を話し合うのかは遺伝カウンセリングとはで解説しています。
🩺 院長コラム【いちばん地味な酵素が、いちばん大事な仕事をしている】
DNAの複製や修復の話では、ポリメラーゼやヘリカーゼが主役として語られがちです。DNAリガーゼは最後にちょっと出てくるだけの、地味な脇役に見えるかもしれません。けれども、どれほど正確に写しても、最後の1か所がつながらなければ遺伝情報は守れません。仕上げを担う酵素こそ、なくてはならない存在だと考えています。
LIG4症候群は、そのことをはっきり示す病気です。切れ目をつなぐ力がわずかに弱いだけで、頭の大きさ、背の伸び、免疫、そして放射線への強さまで影響を受けます。一つの酵素の働きが、体のこれほど広い範囲につながっていることに、遺伝医学の奥深さを感じます。
LIG4症候群のように放射線に弱い体質がわかっている場合、検査や治療の選び方そのものが変わります。遺伝子の名前を知ることは、患者さんを守るための具体的な行動につながると考えています。教科書の用語として覚えるだけでなく、体を守る仕組みとして知っていただけたらうれしいです。
よくある質問（FAQ）
Q1. DNAリガーゼとは簡単に言うと何ですか？
DNAの鎖にできた切れ目をつないで1本に戻す酵素です。切れ目の5’末端のリン酸と3’末端の水酸基を、ホスホジエステル結合で結びます。DNAの複製や修復の最後の仕上げを担っています。
Q2. DNAリガーゼとDNAポリメラーゼの違いは何ですか？
DNAポリメラーゼは鋳型を写してヌクレオチドを1つずつ足し、鎖をのばす酵素です。DNAリガーゼは新しい塩基を足さず、すでにある鎖と鎖の間に残った切れ目をつなぐ酵素です。
Q3. 制限酵素とDNAリガーゼの違いは何ですか？
制限酵素はDNAを決まった配列の場所で切る酵素、DNAリガーゼは切れたDNAをつなぐ酵素です。制限酵素で切ってDNAリガーゼでつなぐのが、遺伝子組換えの基本の操作です。
Q4. DNAリガーゼが岡崎フラグメントの連結に必要なのはなぜですか？
DNAポリメラーゼは鎖を一方向にしかのばせないため、ラギング鎖は短い岡崎フラグメントに分けて作られます。断片どうしの間に残る最後の切れ目は、ポリメラーゼではつなげません。そこをつなぐのがDNAリガーゼで、ヒトでは主にLIG1が担います。
Q5. DNAリガーゼは何酵素ですか？英語や別名は？
2つの分子をエネルギーを使って結合させるリガーゼ（合成酵素）の仲間です。英語はDNA ligaseで、DNAライゲースとも呼ばれます。ヒトのものはATPを、大腸菌など多くの細菌のものはNAD+をエネルギー源に使います。
Q6. DNAリガーゼの遺伝子の変化で起こる病気はありますか？
LIG4遺伝子の変化によるLIG4症候群（小頭症・成長の遅れ・免疫不全・放射線に弱い体質）、LIG1遺伝子の変化による免疫不全、LIG3遺伝子の変化によるミトコンドリア病が報告されています。いずれも常染色体潜性遺伝のまれな病気です。
まとめ
DNAリガーゼは、DNAの鎖の切れ目を、ATPやNAD+のエネルギーを使ってホスホジエステル結合でつなぐ酵素です[1]。ヒトではLIG1が岡崎フラグメントを、LIG3が一本鎖の切れ目やミトコンドリアDNAを、LIG4が二本鎖切断をつなぎ、役割を分けています[3]。
制限酵素と組み合わせて遺伝子組換えを可能にし、MLPA法などの遺伝子検査にも使われています[5][6]。リガーゼの遺伝子の変化はLIG4症候群などのまれな病気の原因になり、LIG4の保因者かどうかは妊娠の前に調べることができます。
🧬 LIG4症候群などの遺伝の病気を、妊娠の前に調べたい方へ
ミネルバクリニックの拡大版保因者検査（女性787遺伝子）は、LIG4やNBNを含む787の遺伝子について、保因者かどうかを調べます。唾液・頬の粘膜の検体で、オンライン診療でも受けられます。費用は税込253,000円で、結果は臨床遺伝専門医が遺伝カウンセリングでご説明します。
参考文献
- [1] Shuman S. DNA ligases: progress and prospects. J Biol Chem. 2009;284(26):17365-17369. doi:10.1074/jbc.R900017200（PMC2719376）
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