АДФ-рибозилирование представляет собой добавление одного или нескольких остатков АДФ-рибозы к белку . [1] [2] Это обратимая посттрансляционная модификация , которая участвует во многих клеточных процессах, включая клеточную сигнализацию , репарацию ДНК , регуляцию генов и апоптоз . [3] [4] Неправильное АДФ-рибозилирование было связано с некоторыми формами рака. [5] Оно также является основой токсичности бактериальных соединений, таких как холерный токсин , дифтерийный токсин и другие. [6]
Первое предположение об АДФ-рибозилировании появилось в начале 1960-х годов. В это время Пьер Шамбон и его коллеги наблюдали включение АТФ в экстракт ядер печени курицы. [7] После обширных исследований кислотонерастворимой фракции несколько различных исследовательских лабораторий смогли идентифицировать АДФ-рибозу , полученную из НАД + , как включенную группу. Несколько лет спустя были идентифицированы ферменты, ответственные за это включение, и им было дано название поли(АДФ-рибоза)полимераза. Первоначально считалось, что эта группа представляет собой линейную последовательность единиц АДФ-рибозы, ковалентно связанных через рибозную гликозидную связь. Позже было сообщено, что разветвление может происходить каждые 20–30 остатков АДФ. [8]
Первое появление моно(АДФ-рибозил)ирования произошло год спустя во время исследования токсинов: было показано, что дифтерийный токсин Corynebacterium diphtheriae зависит от НАД + для того, чтобы быть полностью эффективным [9] , что привело к открытию ферментативной конъюгации одной группы АДФ-рибозы моно(АДФ-рибозил)трансферазой.
Первоначально считалось, что АДФ-рибозилирование является посттрансляционной модификацией, вовлеченной исключительно в регуляцию генов. Однако, по мере того, как было обнаружено больше ферментов, способных АДФ-рибозилировать белки, многофункциональная природа АДФ-рибозилирования стала очевидной. Первый фермент млекопитающих с активностью поли(АДФ-рибозо)трансферазы был обнаружен в конце 1980-х годов. В течение следующих 15 лет он считался единственным ферментом, способным добавлять цепь АДФ-рибозы в клетки млекопитающих. [10] В конце 1980-х годов были открыты АДФ-рибозилциклазы, которые катализируют добавление циклических АДФ-рибозных групп к белкам. Наконец, было обнаружено, что сиртуины , семейство ферментов, которые также обладают НАД + -зависимой деацилирующей активностью, также обладают активностью моно(АДФ-рибозил)трансферазы. [11] [12]
Источником АДФ-рибозы для большинства ферментов, которые выполняют эту модификацию, является окислительно-восстановительный кофактор НАД + . В этой реакции переноса N- гликозидная связь НАД + , которая соединяет молекулу АДФ-рибозы и никотинамидную группу, расщепляется, после чего следует нуклеофильная атака целевой боковой цепи аминокислоты. (АДФ-рибозил)трансферазы могут выполнять два типа модификаций: моно(АДФ-рибозил)ирование и поли(АДФ-рибозил)ирование.
Моно(АДФ-рибозил)трансферазы обычно катализируют добавление АДФ-рибозы к боковым цепям аргинина, используя высококонсервативный мотив RS-EXE фермента. [13] Реакция протекает путем разрыва связи между никотинамидом и рибозой с образованием иона оксония . Затем боковая цепь аргинина целевого белка действует как нуклеофил, атакуя электрофильный углерод, соседствующий с ионом оксония. Для того чтобы этот шаг произошел, нуклеофил аргинина депротонируется остатком глутамата на катализирующем ферменте [ оспаривается – обсудить ] . Другой консервативный остаток глутамата образует водородную связь с одной из гидроксильных групп на цепи рибозы, чтобы еще больше облегчить эту нуклеофильную атаку. В результате реакции расщепления высвобождается никотинамид. Модификацию можно обратить с помощью (АДФ-рибозил)гидролаз, которые расщепляют N- гликозидную связь между аргинином и рибозой, высвобождая АДФ-рибозу и немодифицированный белок; НАД + не восстанавливается в результате обратной реакции.
Поли(АДФ-рибозо)полимеразы (PARP) встречаются в основном у эукариот и катализируют перенос нескольких молекул АДФ-рибозы к целевым белкам. Как и в случае с моно(АДФ-рибозил)ированием, источником АДФ-рибозы является НАД + . PARP используют каталитическую триаду His-Tyr-Glu для облегчения связывания НАД + и позиционирования конца существующей цепи поли(АДФ-рибозы) на целевом белке; Glu облегчает катализ и образование (1''→2') O -гликозидной связи между двумя молекулами рибозы. Существует несколько других ферментов, которые распознают цепи поли(АДФ-рибозы), гидролизуют их или образуют ответвления; более 800 белков были аннотированы как содержащие слабо определенный мотив связывания поли(АДФ-рибозы); Таким образом, в дополнение к этой модификации, изменяющей конформацию и структуру целевого белка, ее также можно использовать в качестве метки для привлечения других белков или для регулирования целевого белка. [14]
Многие различные боковые цепи аминокислот были описаны как акцепторы АДФ-рибозы. С химической точки зрения эта модификация представляет собой гликозилирование белка : перенос АДФ-рибозы происходит на боковые цепи аминокислот с нуклеофильным кислородом, азотом или серой, что приводит к образованию N- , O- или S -гликозидной связи с рибозой АДФ-рибозы. [15] Первоначально кислые аминокислоты ( глутамат и аспартат ) были описаны как основные сайты АДФ-рибозилирования. Однако в последующих работах были идентифицированы многие другие сайты акцепторов АДФ-рибозы, такие как серин , [16] [17] аргинин , [18] цистеин , [19] лизин , [20] дифтамид , [21] фосфосерин , [22] и аспарагин [23] .
Во время повреждения ДНК или клеточного стресса PARP активируются, что приводит к увеличению количества поли(АДФ-рибозы) и уменьшению количества НАД + . [24] Более десятилетия считалось, что PARP1 является единственной поли(АДФ-рибозо)полимеразой в клетках млекопитающих, поэтому этот фермент был наиболее изучен. Каспазы представляют собой семейство цистеиновых протеаз , которые, как известно, играют важную роль в запрограммированной гибели клеток . Эта протеаза расщепляет PARP-1 на два фрагмента, оставляя его полностью неактивным, чтобы ограничить производство поли(АДФ-рибозы). Один из его фрагментов мигрирует из ядра в цитоплазму и, как полагают, становится мишенью аутоиммунитета.
Во время апоптоза , независимого от каспазы , также называемого партанатосом, накопление поли(АДФ-рибозы) может происходить из-за активации PARP или инактивации поли(АДФ-рибоза)гликогидролазы , фермента, который гидролизует поли(АДФ-рибозу) с образованием свободной АДФ-рибозы. Исследования показали, что поли(АДФ-рибоза) управляет транслокацией белка фактора, индуцирующего апоптоз, в ядро, где он будет опосредовать фрагментацию ДНК . Было высказано предположение, что если произойдет сбой активации каспазы в условиях стресса, произойдет некроптоз. Сверхактивация PARP привела к некротической гибели клеток , регулируемой белком фактора некроза опухоли . Хотя механизм еще не изучен, было показано, что ингибиторы PARP влияют на некроптоз. [25]
АДФ-рибозилирование может влиять на экспрессию генов практически на каждом уровне регуляции, включая организацию хроматина, набор и связывание факторов транскрипции, а также процессинг мРНК.
Организация нуклеосом является ключом к регуляции экспрессии генов: расположение и организация нуклеосом изменяют, какие области ДНК доступны для транскрипционного аппарата для связывания и транскрипции ДНК. Было показано, что PARP1 , поли-АДФ-рибозополимераза, влияет на структуру хроматина и способствует изменениям в организации нуклеосом посредством модификации гистонов .
Было показано, что PARP влияют на структуру факторов транскрипции и вызывают набор многих факторов транскрипции для формирования комплексов на ДНК и вызывают транскрипцию. Также показано, что моно(АДФ-рибозил)трансферазы влияют на связывание факторов транскрипции на промоторах. Например, было показано, что PARP14, моно(АДФ-рибозил)трансфераза, влияет на связывание факторов транскрипции STAT .
Было показано, что другие (АДФ-рибозил)трансферазы модифицируют белки, связывающие мРНК , что может вызвать подавление транскрипта этого гена. [26]
Поли(АДФ-рибозо)полимеразы (PARP) могут функционировать при восстановлении одноцепочечных разрывов ДНК , а также двухцепочечных разрывов. При восстановлении одноцепочечных разрывов ( репарация с удалением оснований ) PARP может либо способствовать удалению окисленного сахара, либо расщеплению цепи. PARP1 связывает одноцепочечные разрывы и подтягивает любые близлежащие промежуточные продукты репарации с удалением оснований. Эти промежуточные продукты включают XRCC1 и APLF, и они могут быть привлечены напрямую или через домен PBZ APLF. [27] Это приводит к синтезу поли(АДФ-рибозы). Домен PBZ присутствует во многих белках, участвующих в восстановлении ДНК, и обеспечивает связывание PARP и, таким образом, АДФ-рибозилирование, которое привлекает факторы восстановления для взаимодействия в месте разрыва. PARP2 является вторичным ответчиком на повреждение ДНК, но служит для обеспечения функциональной избыточности при восстановлении ДНК. [28]
Существует множество механизмов восстановления поврежденной двухцепочечной ДНК. PARP1 может функционировать как фактор синапсиса в альтернативном негомологичном соединении концов. Кроме того, было высказано предположение, что PARP1 требуется для замедления репликативных вилок после повреждения ДНК и способствует гомологичной рекомбинации в репликативных вилках , которые могут быть дисфункциональными. Возможно, что PARP1 и PARP3 работают вместе при восстановлении двухцепочечной ДНК, и было показано, что PARP3 имеет решающее значение для разрешения двухцепочечных разрывов. Существуют две гипотезы, согласно которым PARP1 и PARP3 совпадают. Первая гипотеза утверждает, что две (АДФ-рибозил)трансферазы служат для функционирования при неактивности друг друга. Если PARP3 теряется, это приводит к одноцепочечным разрывам и, таким образом, к привлечению PARP1. Вторая гипотеза предполагает, что два фермента работают вместе; PARP3 катализирует моно(АДФ-рибозил)ацию и короткую поли(АДФ-рибозил)ацию и служит для активации PARP1. [28]
PARP имеют много белковых мишеней в месте повреждения ДНК. Белок KU и DNA-PKcs являются компонентами репарации двухцепочечных разрывов с неизвестными сайтами АДФ-рибозилирования. Гистоны являются еще одной белковой мишенью PARP. Все основные гистоны и линкерный гистон H1 подвергаются АДФ-рибозилированию после повреждения ДНК. Функция этих модификаций до сих пор неизвестна, но было высказано предположение, что АДФ-рибозилирование модулирует структуру хроматина более высокого порядка , стремясь облегчить миграцию более доступных сайтов для факторов репарации к повреждению ДНК.
Система убиквитин-протеасомы (UPS) играет важную роль в деградации белков. Протеасома 26S состоит из каталитической субъединицы (коровая частица 20S) и регуляторной субъединицы (колпачок 19S). [29] Полиубиквитиновые цепи помечают белки для деградации протеасомой, что вызывает гидролиз помеченных белков на более мелкие пептиды.
Физиологически PI31 атакует каталитический домен 20S протеасомы 26S, что приводит к снижению активности протеасомы. (АДФ-рибозил)трансфераза Танкираза (TNKS) вызывает АДФ-рибозилирование PI31, что в свою очередь увеличивает активность протеасомы. Ингибирование TNK дополнительно показывает снижение сборки 26S протеасомы. Таким образом, АДФ-рибозилирование способствует активности 26S протеасомы как в клетках Drosophila , так и в клетках человека. [30]
Активность некоторых ферментов регулируется АДФ-рибозилированием. Например, активность ди-нитрогеназа-редуктазы Rodospirillum rubrum отключается АДФ-рибозилированием остатка аргинина и реактивируется удалением АДФ-рибозильной группы. [31]
PARP1 участвует в репарации удаления оснований (BER), репарации одно- и двухцепочечных разрывов и стабильности хромосом. Он также участвует в регуляции транскрипции посредством содействия белок-белковым взаимодействиям . PARP1 использует NAD + для выполнения своей функции при апоптозе. Если PARP становится сверхактивным, клетка будет иметь пониженные уровни кофактора NAD + , а также пониженные уровни АТФ и, таким образом, подвергнется некрозу . Это важно в канцерогенезе , поскольку может привести к отбору клеток с дефицитом PARP1 (но не истощенных) из-за их преимущества в выживании во время роста рака. [32]
Восприимчивость к канцерогенезу при дефиците PARP1 в значительной степени зависит от типа полученного повреждения ДНК. Существует множество выводов о том, что различные PARP участвуют в предотвращении канцерогенеза. Как было сказано ранее, PARP1 и PARP2 участвуют в BER и хромосомной стабильности. PARP3 участвует в регуляции центросомы . Танкираза — это еще одна (АДФ-рибозил)полимераза, которая участвует в регуляции длины теломер . [5]
Ингибирование PARP1 также широко изучалось в противораковой терапии. Механизм действия ингибитора PARP1 заключается в усилении повреждения, наносимого химиотерапией раковой ДНК, путем блокирования репаративной функции PARP1 у лиц с дефицитом BRCA1/2.
PARP14 — еще один фермент АДФ-рибозилирования, который был хорошо изучен в отношении целей терапии рака; он является передатчиком сигнала и активатором белка, взаимодействующего с транскрипцией STAT6 , и, как было показано, связан с агрессивностью В-клеточных лимфом. [32]
Бактериальные АДФ-рибозилирующие экзотоксины (bARE) ковалентно переносят АДФ-рибозную часть НАД + к целевым белкам инфицированных эукариот, чтобы получить никотинамид и свободный ион водорода. bARE производятся как предшественники ферментов , состоящие из доменов «A» и «B»: домен «A» отвечает за активность АДФ-рибозилирования; и домен «B» за транслокацию фермента через мембрану клетки. Эти домены могут существовать совместно в трех формах: во-первых, как отдельные полипептидные цепи с доменами A и B, ковалентно связанными; во-вторых, в многобелковых комплексах с доменами A и B, связанными нековалентными взаимодействиями; и, в-третьих, в многобелковых комплексах с доменами A и B, не взаимодействующими напрямую, до обработки. [6]
При активации bAREs АДФ-рибозилируют любое количество эукариотических белков; такой механизм имеет решающее значение для инициирования болезненных состояний, связанных с АДФ-рибозилированием. ГТФ-связывающие белки , в частности, хорошо известны в патофизиологии bAREs. Например, холера и термолабильный энтеротоксин нацелены на α-субъединицу Gs гетеротримерных ГТФ-связывающих белков . Поскольку α-субъединица АДФ-рибозилирована, она постоянно находится в «активном», ГТФ-связанном состоянии; последующая активация внутриклеточного циклического АМФ стимулирует высвобождение жидкости и ионов из эпителиальных клеток кишечника. Кроме того, C. Botulinum C3 АДФ-рибозилирует ГТФ-связывающие белки Rho и Ras , а коклюшный токсин АДФ-рибозилирует Gi , Go и Gt. Дифтерийный токсин АДФ-рибозилирует рибосомальный фактор удлинения EF-2 , что ослабляет синтез белка. [6]
Существует множество бактерий, которые используют bARE при инфекции: токсин CARDS Mycoplasma pneumoniae , холерный токсин Vibrio cholerae ; термолабильный энтеротоксин E. coli ; экзотоксин A Pseudomonas aeruginosa ; коклюшный токсин B. pertussis ; токсин C3 C. botulinum ; и дифтерийный токсин Corynebacterium diphtheriae . [33]