stringtranslate.com

Поли(АДФ-рибоза)полимераза

АДФ рибоза
Никотинамидадениндинуклеотид

Поли (АДФ-рибоза) полимераза ( PARP ) — это семейство белков, участвующих в ряде клеточных процессов, таких как восстановление ДНК , геномная стабильность и запрограммированная гибель клеток . [1]

Члены семьи PARP

Семейство PARP состоит из 17 членов (10 предполагаемых). [2] Они сильно различаются по структуре и функциям внутри клетки.

Структура

PARP состоит из четырех интересующих нас доменов: домена связывания ДНК , домена, расщепляемого каспазой (см. ниже), домена автомодификации и каталитического домена . Домен связывания ДНК состоит из двух мотивов цинковых пальцев . В присутствии поврежденной ДНК (вырезанная пара оснований) домен связывания ДНК связывает ДНК и вызывает конформационный сдвиг . Было показано, что это связывание происходит независимо от других доменов. Это является неотъемлемой частью модели запрограммированной гибели клеток, основанной на ингибировании расщепления PARP каспазой. Домен автомодификации отвечает за высвобождение белка из ДНК после катализа. Кроме того, он играет неотъемлемую роль в инактивации, вызванной расщеплением.

Функции

Основная роль PARP (обнаруженного в ядре клетки ) заключается в обнаружении и инициировании немедленного клеточного ответа на метаболические, химические или радиационно-индуцированные одноцепочечные разрывы ДНК (SSB) путем передачи сигнала ферментативному аппарату, участвующему в восстановлении SSB .

Как только PARP обнаруживает SSB, он связывается с ДНК , претерпевает структурные изменения и начинает синтез полимерной аденозиндифосфатрибозы ( поли (АДФ-рибоза) или PAR) цепи, которая действует как сигнал для других ферментов, восстанавливающих ДНК. Целевые ферменты включают ДНК-лигазу III (LigIII), ДНК-полимеразу бета (polβ) и белки каркаса, такие как ген перекрестного комплементарного рентгеновского излучения 1 (XRCC1). После восстановления цепи PAR разрушаются с помощью поли(АДФ-рибоза) гликогидролазы (PARG). [3]

NAD+ требуется в качестве субстрата для генерации мономеров АДФ-рибозы. Считалось, что чрезмерная активация PARP может истощить запасы клеточного NAD+ и вызвать прогрессирующее истощение АТФ и некротическую гибель клеток, поскольку окисление глюкозы ингибируется. [4] Но совсем недавно было высказано предположение, что ингибирование активности гексокиназы приводит к дефектам гликолиза (Andrabi, PNAS 2014). Базальная активность PARP также регулирует базальную биоэнергетику. [5] Обратите внимание ниже, что PARP инактивируется расщеплением каспазы-3 во время запрограммированной гибели клеток .

Ферменты PARP необходимы для ряда клеточных функций, [6] включая экспрессию воспалительных генов: [7] PARP1 необходим для индукции экспрессии гена ICAM-1 сердечными миоцитами [8] и гладкомышечными клетками в ответ на TNF. [9]

Активность

Каталитический домен отвечает за полимеризацию поли (АДФ-рибозы) . Этот домен имеет высококонсервативный мотив , который является общим для всех членов семейства PARP. Полимер PAR может достигать длины до 200 нуклеотидов, прежде чем вызвать апоптотические процессы. Образование полимера PAR похоже на образование полимера ДНК из нуклеозидтрифосфатов. Нормальный синтез ДНК требует, чтобы пирофосфат действовал как уходящая группа, оставляя одну фосфатную группу, связывающую сахара дезоксирибозы . PAR синтезируется с использованием никотинамида (NAM) в качестве уходящей группы. Это оставляет пирофосфат в качестве связующей группы между сахарами рибозы, а не отдельные фосфатные группы. Это создает некоторый особый объем для мостика PAR, который может играть дополнительную роль в передаче сигналов клетками.

Роль в восстановлении разрывов ДНК

Одной из важных функций PARP является помощь в восстановлении одноцепочечных разрывов ДНК . Он связывает сайты с одноцепочечными разрывами через свои N-концевые цинковые пальцы и привлекает XRCC1 , ДНК-лигазу III, ДНК-полимеразу бета и киназу к разрыву. Это называется репарацией удаления оснований (BER). Было показано, что PARP-2 олигомеризуется с PARP-1 и, следовательно, также участвует в BER. Было также показано, что олигомеризация стимулирует каталитическую активность PARP. PARP-1 также известен своей ролью в транскрипции посредством ремоделирования хроматина путем PARylating гистонов и расслабления структуры хроматина, таким образом позволяя транскрипционному комплексу получить доступ к генам.

PARP-1 и PARP-2 активируются одноцепочечными разрывами ДНК, и мыши с нокаутированными генами PARP-1 и PARP-2 имеют серьезные нарушения в репарации ДНК и повышенную чувствительность к алкилирующим агентам или ионизирующему излучению. [10]

Активность и продолжительность жизни PARP

Активность PARP (которая в основном обусловлена ​​PARP1), измеренная в пермеабилизованных мононуклеарных лейкоцитарных клетках крови тринадцати видов млекопитающих (крыса, морская свинка, кролик, мартышка, овца, свинья, крупный рогатый скот, карликовый шимпанзе, лошадь, осел, горилла, слон и человек), коррелирует с максимальной продолжительностью жизни вида. [11] Разница в активности между наиболее долгоживущими (люди) и наиболее короткоживущими (крысы) видами была 5-кратной. Хотя кинетика фермента (мономолекулярная константа скорости (kcat), Km и kcat/km) двух ферментов существенно не отличалась, было обнаружено, что человеческий PARP-1 имеет в два раза более высокую удельную способность к аутомодификации, чем фермент крысы, что, по мнению авторов, может частично объяснять более высокую активность PARP у людей, чем у крыс. [12] Лимфобластоидные клеточные линии, полученные из образцов крови людей, которым исполнилось 100 лет (100 лет и старше), имеют значительно более высокую активность PARP, чем клеточные линии от более молодых людей (от 20 до 70 лет), [13] что снова указывает на связь между долголетием и способностью к восстановлению.

Эти результаты показывают, что способность PARP-опосредованной репарации ДНК способствует долголетию млекопитающих. Таким образом, эти результаты подтверждают теорию повреждения ДНК при старении , которая предполагает, что невосстановленное повреждение ДНК является основной причиной старения, и что способность репарации ДНК способствует долголетию. [14] [15]

Роль танкирасов

Танкиразы ( TNK ) являются PARP, которые включают анкириновые повторы , домен олигомеризации (SAM) и каталитический домен PARP (PCD). Танкиразы также известны как PARP-5a и PARP-5b. Они были названы так из-за их взаимодействия с ассоциированными с теломерой белками TERF1 и анкириновыми повторами. Они могут обеспечивать удаление комплексов, ингибирующих теломеразу, с концов хромосом, что позволяет поддерживать теломеры. Через свой домен SAM и ANK они могут олигомеризоваться и взаимодействовать со многими другими белками, такими как TRF1, TAB182 ( TNKS1BP1 ), GRB14 , IRAP, NuMa, EBNA-1 и Mcl-1 . Они выполняют множество функций в клетке, например, везикулярный трафик посредством взаимодействия в везикулах GLUT4 с инсулин-чувствительной аминопептидазой (IRAP). Он также играет роль в сборке митотического веретена посредством взаимодействия с белком ядерного митотического аппарата 1 (NuMa), тем самым обеспечивая необходимую биполярную ориентацию . В отсутствие TNK остановка митоза наблюдается в преанафазе через контрольную точку веретена Mad2 . TNK также могут PARsylate Mcl-1L и Mcl-1S и ингибировать как их про-, так и антиапоптотическую функцию; значимость этого пока неизвестна.

Роль в гибели клеток

PARP может быть активирован в клетках, испытывающих стресс и/или повреждение ДНК. Активированный PARP может истощать клетку АТФ в попытке восстановить поврежденную ДНК. Истощение АТФ в клетке приводит к лизису и гибели клетки (некрозу). [16] [17] PARP также обладает способностью вызывать запрограммированную гибель клетки посредством продукции PAR, которая стимулирует митохондрии к высвобождению AIF . [18] Этот механизм, по-видимому, не зависит от каспазы. Расщепление PARP ферментами, такими как каспазы или катепсины, обычно инактивирует PARP. Размер фрагментов расщепления может дать представление о том, какой фермент был ответственен за расщепление, и может быть полезен для определения того, какой путь гибели клетки был активирован.

Роль в эпигенетической модификации ДНК

Фактор связывания CCCTC ( CTCF ) вызывает накопление PAR. [19] Полимеры АДФ-рибозы, как свободные, так и связанные с PARP1, способны ингибировать активность ДНК-метилтрансферазы на участках CpG . [20] Таким образом, CTCF участвует в перекрестных взаимодействиях между поли(АДФ-рибозилированием) и метилированием ДНК, что является важным эпигенетическим регуляторным фактором. [19]

Терапевтическое ингибирование

Накоплен значительный объем доклинических и клинических данных об ингибиторах PARP при различных формах рака. В этом контексте роль PARP в репарации одноцепочечных разрывов ДНК является актуальной, что приводит к повреждениям, связанным с репликацией, которые не могут быть репарированы, если репарация гомологичной рекомбинации (HRR) является дефектной, и приводит к синтетической летальности ингибиторов PARP при раке с дефектом HRR. Дефекты HRR классически связаны с мутациями BRCA1 и 2, связанными с семейным раком молочной железы и яичников, но может быть много других причин дефектов HRR. Таким образом, ингибиторы PARP различных типов (например, олапариб) для мутантного рака молочной железы и яичников BRCA могут выйти за рамки этих опухолей, если будут разработаны соответствующие биомаркеры для идентификации дефектов HRR. Существует несколько дополнительных классов новых ингибиторов PARP, которые находятся на разных стадиях клинической разработки. [21]

Другой значительный объем данных касается роли PARP при отдельных неонкологических показаниях. При ряде тяжелых острых заболеваний (таких как инсульт, нейротравма, циркуляторный шок и острый инфаркт миокарда) ингибиторы PARP оказывают терапевтическое действие (например, уменьшение размера инфаркта или улучшение функции органов). Существуют также данные наблюдений, демонстрирующие активацию PARP в образцах тканей человека. При этих показаниях к заболеваниям сверхактивация PARP из-за окислительного и нитративного стресса приводит к некрозу клеток и экспрессии провоспалительных генов, что способствует патологии заболевания. По мере того, как клинические испытания ингибиторов PARP при различных формах рака продолжаются, есть надежда, что будет начата вторая линия клинических исследований, направленных на тестирование ингибиторов PARP при различных неонкологических показаниях, в процессе, называемом «терапевтическое повторное использование». [22]

Инактивация

PARP инактивируется расщеплением каспазы . Считается, что нормальная инактивация происходит в системах, где повреждение ДНК обширно. В этих случаях на восстановление повреждений будет затрачено больше энергии, чем это возможно, поэтому вместо этого энергия извлекается для других клеток в ткани через запрограммированную гибель клеток. Помимо деградации, есть недавние доказательства обратимых механизмов снижения регуляции PARP, среди которых «ауторегуляторная петля», которая управляется самим PARP1 и модулируется фактором транскрипции YY1 . [23]

В то время как in vitro расщепление каспазой происходит во всем семействе каспаз, предварительные данные показывают, что каспаза-3 и каспаза-7 отвечают за расщепление in vivo . Расщепление происходит по аспарагиновой кислоте 214 и глицину 215, разделяя PARP на сегменты 24  кДа и 89 кДа. Меньший фрагмент включает мотив цинкового пальца, необходимый для связывания ДНК. Фрагмент 89 кДа включает домен автомодификации и каталитический домен. Предполагаемый механизм активации PCD посредством инактивации PARP основан на разделении области связывания ДНК и домена автомодификации. Область связывания ДНК способна делать это независимо от остальной части белка, расщепленной или нет. Однако она не может диссоциировать без домена автомодификации. Таким образом, домен связывания ДНК прикрепится к поврежденному участку и не сможет произвести восстановление, поскольку у него больше нет каталитического домена. Домен связывания ДНК не позволяет другим, нерасщепленным PARP получить доступ к поврежденному участку и инициировать восстановление. Эта модель предполагает, что эта «сахарная пробка» также может начать сигнал для апоптоза.

Растительные PARP

Были изучены роли поли(АДФ-рибозил)ирования в реакциях растений на повреждение ДНК, инфекцию и другие стрессы. [24] [25] Растительный PARP1 очень похож на животный PARP1, но, что интересно, у Arabidopsis thaliana и, предположительно, других растений PARP2 играет более значимую роль, чем PARP1, в защитных реакциях на повреждение ДНК и бактериальный патогенез. [26] Растительный PARP2 несет регуляторные и каталитические домены PARP, имеющие лишь промежуточное сходство с PARP1, и несет N-концевые мотивы связывания ДНК SAP, а не мотивы связывания ДНК цинкового пальца растительных и животных белков PARP1. [26]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Herceg Z, Wang ZQ (июнь 2001 г.). «Функции поли(АДФ-рибозо)полимеразы (PARP) в репарации ДНК, целостности генома и гибели клеток». Mutation Research . 477 (1–2): 97–110. doi :10.1016/s0027-5107(01)00111-7. PMID  11376691.
  2. ^ Манасарян, Г; Суплатов, Д; Пушкарев, С; Дробот, В; Куимов, А; Шведас, В; Нилов, Д (2021). "Биоинформатический анализ сайта связывания никотинамида в белках семейства поли(АДФ-рибоза)полимераз". Раковые заболевания . 13 (6): 1201. doi : 10.3390/cancers13061201 . PMC 8002165. PMID  33801950 . 
  3. ^ Isabelle M, Moreel X, Gagné JP, Rouleau M, Ethier C, Gagné P, et al. (апрель 2010 г.). «Исследование интерактомов PARP-1, PARP-2 и PARG с помощью масс-спектрометрии с аффинной очисткой». Proteome Science . 8 : 22. doi : 10.1186/1477-5956-8-22 . PMC 2861645 . PMID  20388209. 
  4. ^ Szabó C, Zingarelli B, O'Connor M, Salzman AL (март 1996). «Разрыв цепи ДНК, активация поли (АДФ-рибоза) синтетазы и истощение клеточной энергии участвуют в цитотоксичности макрофагов и гладкомышечных клеток, подвергшихся воздействию пероксинитрита». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 93 (5): 1753–8. Bibcode : 1996PNAS...93.1753S. doi : 10.1073/pnas.93.5.1753 . PMC 39853. PMID  8700830 . 
  5. ^ Módis K, Gero D, Erdélyi K, Szoleczky P, DeWitt D, Szabo C (март 2012). «Клеточная биоэнергетика регулируется PARP1 в условиях покоя и во время окислительного стресса». Биохимическая фармакология . 83 (5): 633–43. doi :10.1016/j.bcp.2011.12.014. PMC 3272837. PMID  22198485 . 
  6. ^ Пискунова ТС, Юрова МН, Овсянников АИ, Семенченко АВ, Забежинский МА, Попович ИГ и др. (2008). "Дефицит поли(АДФ-рибоза) полимеразы-1 (ПАРП-1) ускоряет старение и спонтанный канцерогенез у мышей". Current Gerontology and Geriatrics Research . 2008 : 754190. doi : 10.1155/2008/754190 . PMC 2672038. PMID  19415146. 
  7. ^ Espinoza LA, Smulson ME, Chen Z (май 2007). «Длительная активность поли(АДФ-рибоза)полимеразы-1 регулирует вызванную JP-8 устойчивую экспрессию цитокинов в альвеолярных макрофагах». Free Radical Biology & Medicine . 42 (9): 1430–40. doi :10.1016/j.freeradbiomed.2007.01.043. PMID  17395016.
  8. ^ Zingarelli B, Salzman AL, Szabó C (июль 1998). «Генетическое нарушение поли (АДФ-рибоза) синтетазы ингибирует экспрессию P-селектина и межклеточной адгезионной молекулы-1 при ишемии миокарда/реперфузионном повреждении». Circulation Research . 83 (1): 85–94. doi : 10.1161/01.res.83.1.85 . PMID  9670921.
  9. ^ Zerfaoui M, Suzuki Y, Naura AS, Hans CP, Nichols C, Boulares AH (январь 2008 г.). «Ядерная транслокация p65 NF-kappaB достаточна для экспрессии VCAM-1, но не ICAM-1 в стимулированных TNF гладкомышечных клетках: дифференциальные требования для экспрессии и взаимодействия PARP-1». Cellular Signalling . 20 (1): 186–94. doi :10.1016/j.cellsig.2007.10.007. PMC 2278030 . PMID  17993261. 
  10. ^ Bürkle A, Brabeck C, Diefenbach J, Beneke S (май 2005 г.). «Возникающая роль поли(АДФ-рибоза)полимеразы-1 в долголетии». Международный журнал биохимии и клеточной биологии . 37 (5): 1043–53. doi :10.1016/j.biocel.2004.10.006. PMID  15743677.
  11. ^ Grube K, Bürkle A (декабрь 1992 г.). «Активность поли(АДФ-рибозы) полимеразы в мононуклеарных лейкоцитах 13 видов млекопитающих коррелирует с видовой продолжительностью жизни». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 89 (24): 11759–63. Bibcode : 1992PNAS...8911759G. doi : 10.1073/pnas.89.24.11759 . PMC 50636. PMID  1465394 . 
  12. ^ Beneke S, Alvarez-Gonzalez R, Bürkle A (октябрь 2000 г.). «Сравнительная характеристика поли(АДФ-рибоза) полимеразы-1 из двух видов млекопитающих с разной продолжительностью жизни». Experimental Gerontology . 35 (8): 989–1002. doi :10.1016/s0531-5565(00)00134-0. PMID  11121685. S2CID  37233083.
  13. ^ Muiras ML, Müller M, Schächter F, Bürkle A (апрель 1998 г.). «Повышенная активность поли(АДФ-рибозы) полимеразы в линиях лимфобластоидных клеток от долгожителей». Журнал молекулярной медицины . 76 (5): 346–54. doi :10.1007/s001090050226. PMID  9587069. S2CID  24616650.
  14. ^ Бернстайн К, Бернстайн Х (2004). «Старение и пол, восстановление ДНК в». В Meyers RA (ред.). Энциклопедия молекулярной клеточной биологии и молекулярной медицины . Weinheim: Wiley-VCH Verlag. стр. 53–98. doi :10.1002/3527600906.mcb.200200009. ISBN 3-527-30542-4.
  15. ^ Бернштейн Х, Пейн СМ, Бернштейн С, Гаревал Х, Дворжак К (2008). Кимура Х., Сузуки А. (ред.). Рак и старение как последствия невосстановленного повреждения ДНК. Нью-Йорк: Nova Science Publishers, Inc., стр. 1–47. ISBN 978-1604565812. Архивировано из оригинала 2014-10-25 . Получено 2013-05-10 .
  16. ^ Virág L, Salzman AL, Szabó C (октябрь 1998 г.). «Активация поли(АДФ-рибоза)синтетазы опосредует повреждение митохондрий во время клеточной смерти, вызванной окислителями». Журнал иммунологии . 161 (7): 3753–9. doi :10.4049/jimmunol.161.7.3753. PMID  9759901. S2CID  5734113.
  17. ^ Ha HC, Snyder SH (ноябрь 1999 г.). «Поли(АДФ-рибоза)полимераза является медиатором некротической гибели клеток при истощении АТФ». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 96 (24): 13978–82. Bibcode : 1999PNAS ... 9613978H. doi : 10.1073/pnas.96.24.13978 . PMC 24176. PMID  10570184. 
  18. ^ Yu SW, Andrabi SA, Wang H, Kim NS, Poirier GG, Dawson TM, Dawson VL (ноябрь 2006 г.). «Фактор, индуцирующий апоптоз, опосредует гибель клеток, вызванную полимером поли(АДФ-рибозы) (PAR)». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 103 (48): 18314–9. Bibcode : 2006PNAS..10318314Y. doi : 10.1073/pnas.0606528103 . PMC 1838748. PMID  17116881 . 
  19. ^ ab Гуастафьерро Т, Чеккинелли Б, Зампьери М, Реале А, Риджио Г, Стандье О, Зупи Г, Калабрезе Л, Кайафа П (август 2008 г.). «CCCTC-связывающий фактор активирует PARP-1, влияя на механизм метилирования ДНК». J Биол Хим . 283 (32): 21873–80. дои : 10.1074/jbc.M801170200 . ПМК 2494936 . ПМИД  18539602. 
  20. ^ Зардо Г, Реал А, Де Маттеис Г, Буонтемпо С, Кайафа П (июнь 2003 г.). «Роль поли(АДФ-рибозил)ирования в метилировании ДНК». Биохимия Клеточная Биол . 81 (3): 197–208. дои : 10.1139/o03-050. ПМИД  12897854.
  21. ^ Curtin NJ, Szabo C (декабрь 2013 г.). «Терапевтическое применение ингибиторов PARP: противораковая терапия и не только». Молекулярные аспекты медицины . 34 (6): 1217–56. doi :10.1016/j.mam.2013.01.006. PMC 3657315. PMID 23370117  . 
  22. ^ Berger NA, Besson VC, Boulares AH, Bürkle A, Chiarugi A, Clark RS и др. (январь 2018 г.). «Возможности повторного использования ингибиторов PARP для терапии неонкологических заболеваний». British Journal of Pharmacology . 175 (2): 192–222. doi :10.1111/bph.13748. PMC 5758399 . PMID  28213892. 
  23. ^ Doetsch M, Gluch A, Poznanović G, Bode J, Vidaković M (2012). «YY1-связывающие сайты обеспечивают функции центрального переключателя в сети экспрессии гена PARP-1». PLOS ONE . ​​7 (8): e44125. Bibcode :2012PLoSO...744125D. doi : 10.1371/journal.pone.0044125 . PMC 3429435 . PMID  22937159. 
  24. ^ Briggs AG, Bent AF (июль 2011 г.). «Поли(АДФ-рибозил)ация в растениях». Trends in Plant Science . 16 (7): 372–80. doi :10.1016/j.tplants.2011.03.008. PMID  21482174.
  25. ^ Feng B, Liu C, Shan L, He P (декабрь 2016 г.). «Адф-рибозилирование белков берет под контроль взаимодействия растений и бактерий». PLOS Pathogens . 12 (12): e1005941. doi : 10.1371/journal.ppat.1005941 . PMC 5131896. PMID  27907213 . 
  26. ^ ab Song J, Keppler BD, Wise RR, Bent AF (май 2015 г.). "PARP2 — преобладающая поли(АДФ-рибоза) полимераза при повреждении ДНК Arabidopsis и иммунных реакциях". PLOS Genetics . 11 (5): e1005200. doi : 10.1371/journal.pgen.1005200 . PMC 4423837. PMID  25950582 . 

Внешние ссылки