DNA 연결효소(영어: DNA ligase, EC 6.5.1.1)는 포스포다이에스터 결합(phosphodiester bond)을 형성하는 반응을 촉매하여 두 DNA 가닥을 연결시키는 효소이다. DNA 리게이스 또는 DNA 라이게이스라고도 불린다. 이 효소는 살아있는 생명체의 이중 가닥 DNA에서 단일 가닥의 파괴(니크, nick)를 복구하는 역할을 수행한다. 일부 형태(예: DNA 연결효소 IV)는 이중 가닥의 파괴, 즉 상보적인 두 DNA 가닥 모두가 절단된 상태를 특이적으로 복구할 수 있다. 단일 가닥의 파괴는 이중 나선의 상보적인 가닥을 주형으로 사용하여 DNA 연결효소에 의해 복구되며, DNA 연결효소는 DNA를 완전히 복구하기 위해 마지막 단계에서 포스포다이에스터 결합을 형성한다.
DNA 연결효소는 세포 내에서 DNA 복제, DNA 복구, DNA 재조합 등 다양한 DNA 대사 과정에 필수적으로 작용한다. DNA 복제 과정에서는 오카자키 절편(Okazaki fragment)들을 연결하여 연속적인 DNA 가닥을 완성하는 역할을 한다. 또한 DNA 손상 복구 과정 중 염기 절제 복구(base excision repair)와 뉴클레오타이드 절제 복구(nucleotide excision repair)의 마지막 단계에서도 관여한다.
분자생물학 실험실에서는 재조합 DNA 기술에 DNA 연결효소가 널리 사용된다. 제한 효소(restriction enzyme)로 절단된 DNA 절편들을 연결할 때 T4 DNA 연결효소(T4 DNA ligase)가 주로 사용된다. T4 DNA 연결효소는 ATP를 보조 인자로 사용하며, 점착 말단(sticky end)과 둔단 말단(blunt end) 모두를 연결할 수 있다. 대장균 유래 DNA 연결효소는 NAD+를 보조 인자로 사용한다.
DNA 연결효소는 크게 ATP 의존형과 NAD+ 의존형으로 구분된다. 진핵생물과 박테리오파지는 주로 ATP 의존형 DNA 연결효소를 가지며, 세균(박테리아)은 NAD+ 의존형 DNA 연결효소를 가진다. 인간의 경우 DNA 연결효소 I, III, IV의 세 가지 주요 동질효소(isozyme)가 존재하며, 각각 DNA 복제, 염기 절제 복구, 비상동 말단 결합(non-homologous end joining) 등 서로 다른 DNA 대사 과정에 관여한다. DNA 연결효소 IV의 유전적 결함은 LIG4 증후군(LIG4 syndrome)과 관련되어 있는 것으로 알려져 있다.
