Поли (АДФ-рибоза) полимераза - Poly (ADP-ribose) polymerase

Для использования в других целях см. PARP (значения).
НАД + АДФ-рибозилтрансфераза
Идентификаторы
Номер ЕС2.4.2.30
Количество CAS58319-92-9
Базы данных
IntEnzПросмотр IntEnz
BRENDABRENDA запись
ExPASyПросмотр NiceZyme
КЕГГЗапись в KEGG
MetaCycметаболический путь
ПРИАМпрофиль
PDB структурыRCSB PDB PDBe PDBsum
АДФ рибоза
Никотинамид аденин динуклеотид

Поли (АДФ-рибоза) полимераза (PARP) - это семья белки участвует в ряде сотовый такие процессы как Ремонт ДНК, геномная стабильность и запрограммированная гибель клеток.[1]

Члены семьи PARP

Семья PARP состоит из 17 членов (предположительно 10).[нужна цитата ] Все они имеют очень разные структуры и функции в клетке.

Структура

PARP состоит из четырех представляющих интерес областей: ДНК-связывающий домен, а каспаза -cleaved домен (см. ниже), домен автоматической модификации и каталитический домен.ДНК-связывающий домен состоит из двух цинковый палец мотивы. В присутствии поврежденной ДНК (вырезанной из пары оснований) ДНК-связывающий домен будет связывать ДНК и вызывать конформационный сдвиг. Было показано, что это связывание происходит независимо от других доменов. Это неотъемлемая часть модели программируемой гибели клеток, основанной на каспазе. расщепление ингибирование PARP. Домен авто-модификации отвечает за высвобождение белка из ДНК после катализа. Кроме того, он играет важную роль в инактивации, вызванной расщеплением.

Функции

Основная роль PARP (обнаружена в ядро клетки ) заключается в обнаружении и инициировании немедленного клеточного ответа на метаболические, химические или радиационно-индуцированные однонитевые разрывы ДНК (SSB) путем передачи сигналов ферментативному аппарату, участвующему в Ремонт SSB.

Как только PARP обнаруживает SSB, он связывается с ДНК, претерпевает структурное изменение и начинает синтез полимерный аденозиндифосфат рибоза (поли (АДФ-рибоза) или PAR) цепь, которая действует как сигнал для других ферментов, восстанавливающих ДНК. Целевые ферменты включают ДНК-лигаза III (LigIII), ДНК-полимераза бета (polβ) и каркасные белки, такие как Рентгеновский перекрестно комплементарный ген 1 (XRCC1). После ремонта цепи PAR разрушаются через Поли (АДФ-рибоза) гликогидролаза (ПАРГ).[2]

НАД + требуется в качестве субстрата для образования мономеров АДФ-рибозы. Считалось, что чрезмерная активация PARP может истощать запасы клеточного NAD + и вызывать прогрессирующее истощение АТФ и некротическую гибель клеток, поскольку глюкоза окисление подавлено.[3] Но совсем недавно было высказано предположение, что ингибирование активности гексокиназы приводит к дефектам гликолиза (Андраби, PNAS 2014 ). Основная активность PARP также регулирует базальную биоэнергетику.[4] Обратите внимание, что PARP инактивируется расщеплением каспазой-3 во время запрограммированного смерть клетки.

Ферменты PARP важны для ряда клеточных функций,[5] включая экспрессию воспалительных генов:[6] PARP1 требуется для индукции ICAM-1 экспрессия генов сердечными миоцитами [7] и гладкомышечные клетки в ответ на TNF.[8]

Мероприятия

Каталитический домен отвечает за поли (АДФ-рибозу) полимеризация. Этот домен имеет очень консервативный мотив это общее для всех членов семейства PARP. Полимер PAR может достигать длины до 200 нуклеотидов перед тем, как вызвать апоптотические процессы. Образование полимера PAR аналогично образованию полимера ДНК из нуклеозидтрифосфатов. Нормальный синтез ДНК требует, чтобы пирофосфат действовать как уходящая группа, оставляя одну фосфатную группу, связывающую сахара дезоксирибозы. PAR синтезируется с использованием никотинамид (ДН) как уходящая группа. В результате пирофосфат остается связующей группой между сахарами рибозы, а не отдельными фосфатными группами. Это создает некоторую особую массу для моста PAR, который может играть дополнительную роль в передаче сигналов соты.

Роль в восстановлении неровностей ДНК

Одна из важных функций PARP - помощь в восстановлении разрывов одноцепочечной ДНК. Он связывает сайты с одноцепочечными разрывами через свой N-конец. цинковые пальцы и будет набирать XRCC1, ДНК-лигаза III, ДНК-полимераза бета и киназа к нику. Это называется эксцизионная пластика (BER). Было показано, что PARP-2 олигомеризуется с PARP-1 и, следовательно, также участвует в BER. Также было показано, что олигомеризация стимулирует каталитическую активность PARP. PARP-1 также известен своей ролью в транскрипции через ремоделирование хроматин путем PAR-илирования гистонов и расслабления структуры хроматина, что позволяет транскрипционному комплексу получать доступ к генам.

PARP-1 и PARP-2 активируются одноцепочечными разрывами ДНК, и мыши с нокаутом PARP-1 и PARP-2 имеют серьезные недостатки в репарации ДНК и повышенную чувствительность к алкилирующим агентам или ионизирующему излучению.[9]

Активность и продолжительность жизни PARP

Активность PARP (которая в основном обусловлена ​​PARP1), измеренная в проницаемом мононуклеарном лейкоциты клетки крови тринадцати видов млекопитающих (крыса, морская свинка, кролик, мартышка, овца, свинья, крупный рогатый скот, пигмеи, шимпанзе, лошадь, осел, горилла, слон и человек) коррелируют с максимальной продолжительностью жизни вида.[10] Разница в активности между самыми долгоживущими (люди) и самыми короткоживущими (крысы) видами была 5-кратной. Хотя кинетика ферментов (константа мономолекулярной скорости (ккат), Км и ккат / км) двух ферментов существенно не различались, было обнаружено, что PARP-1 человека имеет вдвое более высокую способность к специфической автомодификации, чем фермент крысы, что, по мнению авторов, может частично объяснять более высокую активность PARP у людей, чем у крыс.[11] Лимфобластоидный клеточные линии, полученные из образцов крови людей, которые были долгожителями (100 лет и старше), имеют значительно более высокую активность PARP, чем клеточные линии от более молодых (от 20 до 70 лет) людей,[12] снова указывает на связь между долговечностью и ремонтопригодностью.

Эти данные свидетельствуют о том, что PARP-опосредованная репарация ДНК способствует долголетию млекопитающих. Таким образом, эти данные подтверждают Теория повреждений ДНК старения, который предполагает, что неремонтированное повреждение ДНК является основной причиной старения и что способность к восстановлению ДНК способствует долголетию.[13][14]

Роль танкирас

В танкирасы (ТНК) - это ПАРП, которые включают Анкирин повторяет, домен олигомеризации (SAM) и Каталитический домен PARP (PCD). Танкирасы также известны как PARP-5a и PARP-5b. Они были названы в честь их взаимодействия с теломер -ассоциированный TRF1 белки и анкириновые повторы. Они могут позволить удаление комплексов, ингибирующих теломеразу, с концов хромосом для поддержания теломер. Через свой домен SAM и ANK они могут олигомеризоваться и взаимодействовать со многими другими белками, такими как TRF1, TAB182 (ТНКС1БП1 ), GRB14, IRAP, NuMa, EBNA-1 и Mcl-1. У них есть несколько ролей в клетке, например, везикулярный перенос через взаимодействие GLUT4 везикулы с инсулин-чувствительная аминопептидаза (IRAP). Он также играет роль в митотическое веретено сборка через взаимодействие с белок 1 ядерного митотического аппарата (NuMa), что позволяет биполярная ориентация. В отсутствие ТНК, митоз задержка наблюдается в пред-анафаза через Mad2 КПП шпинделя. TNK могут также PARsylate Mcl-1L и Mcl-1S и ингибировать как их про-, так и антиапоптотическую функцию; Актуальность этого пока не известна.

Роль в гибели клеток

PARP может активироваться в клетках, испытывающих стресс и / или повреждение ДНК. Активированный PARP может истощить клетку АТФ в попытке восстановить поврежденную ДНК. Истощение АТФ в клетке приводит к лизису и гибели клетки (некрозу).[15] [16] PARP также обладает способностью вызывать запрограммированную гибель клеток за счет продукции PAR, который стимулирует митохондрии к высвобождению AIF.[17] Этот механизм, по-видимому, не зависит от каспаз. 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 полезным для определения того, какой путь гибели клеток был активирован.

Роль в эпигенетической модификации ДНК

PARP-опосредованная посттрансляционная модификация белков, таких как CTCF может влиять на степень метилирования ДНК в динуклеотидах CpG (необходимы ссылки). Это регулирует инсуляторные свойства CTCF, может по-разному маркировать копию ДНК, унаследованную от материнской или отцовской ДНК посредством процесса, известного как геномный импринтинг (требуется вычитка). Также было предложено, чтобы PARP влиял на степень метилирования ДНК путем прямого связывания с ДНК-метилтрансферазой DNMT-1 после присоединения цепей поли-АДФ-рибозы к себе после взаимодействия с CTCF и влияя на ферментативную активность DNMT1 (нужны ссылки).

Лечебное торможение

Накоплен значительный объем доклинических и клинических данных по ингибиторам PARP при различных формах рака. В этом контексте важна роль PARP в репарации одноцепочечных разрывов ДНК, что приводит к репликационным повреждениям, которые не могут быть восстановлены, если репарация гомологичной рекомбинации (HRR) является дефектной, и приводит к синтетической летальности ингибиторов PARP в HRR- дефектный рак. Дефекты HRR классически связаны с мутациями BRCA1 и 2, связанными с семейным раком груди и яичников, но может быть много других причин дефектов HRR. Таким образом, ингибиторы PARP различных типов (например, олапариб) для мутантного BRCA рака груди и яичников могут выходить за пределы этих опухолей, если могут быть разработаны соответствующие биомаркеры для выявления дефектов HRR. Есть несколько дополнительных классов новых ингибиторов PARP, которые находятся на различных стадиях клинической разработки. [18]

Еще один значительный объем данных относится к роли PARP при некоторых неонкологических показаниях. При ряде тяжелых острых заболеваний (таких как инсульт, нейротравма, шок кровообращения и острый инфаркт миокарда) ингибиторы PARP оказывают терапевтическое действие (например, уменьшение размера инфаркта или улучшение функции органов). Есть также данные наблюдений, демонстрирующие активацию PARP в образцах тканей человека. При этих показаниях к заболеванию сверхактивация PARP из-за оксидативного и ниттивного стресса вызывает некроз клеток и экспрессию провоспалительных генов, что способствует патологии заболевания. По мере того, как клинические испытания ингибиторов PARP при различных формах рака прогрессируют, есть надежда, что будет начата вторая линия клинических исследований, направленных на тестирование ингибиторов PARP для различных неонкологических показаний, в процессе, называемом «терапевтическое перепрофилирование». .[19]

Инактивация

PARP инактивирован каспаза расщепление. Считается, что нормальная инактивация происходит в системах с обширным повреждением ДНК. В этих случаях на восстановление повреждений будет вложено больше энергии, чем это возможно, так что энергия вместо этого будет извлекаться для других клеток в ткани посредством запрограммированной гибели клеток. Помимо деградации, есть недавние данные об обратимых механизмах подавления PARP, среди которых есть «ауторегуляторная петля», которая управляется самим PARP1 и модулируется YY1 фактор транскрипции.[20]

В то время как in vitro расщепление каспазой происходит во всем семействе каспаз, предварительные данные предполагают, что каспаза-3 и каспаза-7 ответственны за in vivo расщепление. Расщепление происходит при аспарагиновая кислота 214 и глицин 215, разделяя PARP на сегменты 24kDA и 89kDA. Меньший фрагмент включает мотив цинкового пальца, необходимый для связывания ДНК. Фрагмент 89 кДа включает домен автоматической модификации и каталитический домен. Предполагаемый механизм активации PCD посредством инактивации PARP основан на разделении ДНК-связывающей области и домена авто-модификации. ДНК-связывающая область способна делать это независимо от остального белка, расщепленного или нет. Однако он не может диссоциировать без домена автоматической модификации. Таким образом, ДНК-связывающий домен будет прикрепляться к поврежденному сайту и не сможет произвести репарацию, так как он больше не имеет каталитического домена. ДНК-связывающий домен предотвращает доступ других, не расщепленных PARP, к поврежденному сайту и инициацию восстановления. Эта модель предполагает, что эта «сахарная пробка» также может стать сигналом апоптоза.

ПАРП растений

Изучена роль поли (АДФ-рибозилирования) в ответах растений на повреждение ДНК, инфекцию и другие стрессы.[21][22] PARP1 растения очень похож на PARP1 животного, но, что интересно, в Arabidopsis thaliana и, предположительно, в других растениях, PARP2 играет более значительную роль, чем PARP1, в защитных ответах на повреждение ДНК и бактериальный патогенез.[23] PARP2 растений несет регуляторные и каталитические домены PARP с лишь промежуточным сходством с PARP1, и он несет N-концевые ДНК-связывающие мотивы SAP, а не ДНК-связывающие мотивы «цинковые пальцы» белков PARP1 растений и животных.[23]

Смотрите также

использованная литература

  1. ^ Герцег З., Ван З. К. (июнь 2001 г.). «Функции поли (АДФ-рибоза) полимеразы (PARP) в репарации ДНК, целостности генома и гибели клеток». Мутационные исследования. 477 (1–2): 97–110. Дои:10.1016 / s0027-5107 (01) 00111-7. PMID  11376691.
  2. ^ Isabelle M, Moreel X, Gagné JP, Rouleau M, Ethier C, Gagné P и др. (Апрель 2010 г.). «Исследование взаимодействий PARP-1, PARP-2 и PARG с помощью масс-спектрометрии с аффинной очисткой». Протеомная наука. 8: 22. Дои:10.1186/1477-5956-8-22. ЧВК  2861645. PMID  20388209.
  3. ^ Сабо С., Зингарелли Б., О'Коннор М., Зальцман А.Л. (март 1996 г.). «Разрыв цепи ДНК, активация поли (АДФ-рибоза) синтетазы и истощение клеточной энергии вовлечены в цитотоксичность макрофагов и гладкомышечных клеток, подвергшихся воздействию пероксинитрита». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки. 93 (5): 1753–8. Bibcode:1996PNAS ... 93.1753S. Дои:10.1073 / пнас.93.5.1753. ЧВК  39853. PMID  8700830.
  4. ^ Módis K, Gero D, Erdélyi K, Szoleczky P, DeWitt D, Szabo C. (март 2012 г.). «Клеточная биоэнергетика регулируется PARP1 в условиях покоя и во время окислительного стресса». Биохимическая фармакология. 83 (5): 633–43. Дои:10.1016 / j.bcp.2011.12.014. ЧВК  3272837. PMID  22198485.
  5. ^ Пискунова Т.С., Юрова М.Н., Овсянников А.И., Семенченко А.В., Забежинский М.А., Попович И.Г. и др. (2008). «Дефицит поли (АДФ-рибоза) полимеразы-1 (PARP-1) ускоряет старение и спонтанный канцерогенез у мышей». Текущие исследования в области геронтологии и гериатрии. 2008: 754190. Дои:10.1155/2008/754190. ЧВК  2672038. PMID  19415146.
  6. ^ Эспиноза Л.А., Смолсон М.Э., Чен З. (май 2007 г.). «Пролонгированная активность поли (АДФ-рибозы) полимеразы-1 регулирует вызванную JP-8 устойчивую экспрессию цитокинов в альвеолярных макрофагах». Свободная радикальная биология и медицина. 42 (9): 1430–40. Дои:10.1016 / j.freeradbiomed.2007.01.043. PMID  17395016.
  7. ^ Зингарелли Б., Зальцман А.Л., Сабо С. (июль 1998 г.). «Генетическое нарушение поли (АДФ-рибоза) синтетазы подавляет экспрессию Р-селектина и молекулы-1 межклеточной адгезии при ишемии / реперфузии миокарда». Циркуляционные исследования. 83 (1): 85–94. Дои:10.1161 / 01.res.83.1.85. PMID  9670921.
  8. ^ 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 гладкомышечных клетках, стимулированных TNF: дифференциальная потребность в экспрессии и взаимодействии PARP-1». Сотовая связь. 20 (1): 186–94. Дои:10.1016 / j.cellsig.2007.10.007. ЧВК  2278030. PMID  17993261.
  9. ^ 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. Дои:10.1016 / j.biocel.2004.10.006. PMID  15743677.
  10. ^ Grube K, Bürkle A (декабрь 1992 г.). «Активность поли (АДФ-рибозы) полимеразы в мононуклеарных лейкоцитах 13 видов млекопитающих коррелирует с видоспецифичной продолжительностью жизни». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки. 89 (24): 11759–63. Bibcode:1992PNAS ... 8911759G. Дои:10.1073 / пнас.89.24.11759. ЧВК  50636. PMID  1465394.
  11. ^ Бенеке С., Альварес-Гонсалес Р., Бюркле А. (октябрь 2000 г.). «Сравнительная характеристика поли (АДФ-рибоза) полимеразы-1 от двух видов млекопитающих с разной продолжительностью жизни». Экспериментальная геронтология. 35 (8): 989–1002. Дои:10.1016 / s0531-5565 (00) 00134-0. PMID  11121685.
  12. ^ Muiras ML, Müller M, Schächter F, Bürkle A (апрель 1998 г.). «Повышенная активность поли (АДФ-рибоза) полимеразы в лимфобластоидных клеточных линиях от долгожителей». Журнал молекулярной медицины. 76 (5): 346–54. Дои:10.1007 / s001090050226. PMID  9587069.
  13. ^ Бернштейн C, Бернштейн H (2004). «Старение и секс, восстановление ДНК в». В Мейерс Р.А. (ред.). Энциклопедия молекулярной клеточной биологии и молекулярной медицины. Weinheim: Wiley-VCH Verlag. С. 53–98. Дои:10.1002 / 3527600906.mcb.200200009. ISBN  3-527-30542-4.
  14. ^ Бернштейн H, Пейн CM, Бернштейн C, Гарвал H, Дворак K (2008). Кимура Х., Сузуки А (ред.). Рак и старение как последствия неремонтированного повреждения ДНК. Нью-Йорк: Nova Science Publishers, Inc. С. 1–47. ISBN  978-1604565812. Архивировано из оригинал на 2014-10-25. Получено 2013-05-10.
  15. ^ Вираг Л., Зальцман А.Л., Сабо С. (октябрь 1998 г.). «Активация поли (АДФ-рибоза) синтетазы опосредует повреждение митохондрий во время гибели клеток, вызванной окислителем». Журнал иммунологии. 161 (7): 3753–9. PMID  9759901.
  16. ^ Ха ХК, Снайдер Ш. (ноябрь 1999 г.). «Поли (АДФ-рибоза) полимераза является медиатором некротической гибели клеток из-за истощения АТФ». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки. 96 (24): 13978–82. Bibcode:1999PNAS ... 9613978H. Дои:10.1073 / пнас.96.24.13978. ЧВК  24176. PMID  10570184.
  17. ^ Ю. С., Андраби С. А., Ван Х, Ким Н. С., Пуарье Г. Г., Доусон Т. М., Доусон В. Л. (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. Дои:10.1073 / pnas.0606528103. ЧВК  1838748. PMID  17116881.
  18. ^ Куртин Нью-Джерси, Сабо С. (декабрь 2013 г.). «Терапевтическое применение ингибиторов PARP: противораковая терапия и не только». Молекулярные аспекты медицины. 34 (6): 1217–56. Дои:10.1016 / j.mam.2013.01.006. ЧВК  3657315. PMID  23370117.
  19. ^ Бергер Н.А., Бессон В.К., Буларес А.Х., Бюркле А., Кьяруги А., Кларк Р.С. и др. (Январь 2018). «Возможности перепрофилирования ингибиторов PARP для терапии неонкологических заболеваний». Британский журнал фармакологии. 175 (2): 192–222. Дои:10.1111 / bph.13748. ЧВК  5758399. PMID  28213892.
  20. ^ 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. Дои:10.1371 / journal.pone.0044125. ЧВК  3429435. PMID  22937159.
  21. ^ Briggs AG, Bent AF (июль 2011 г.). «Поли (АДФ-рибозилирование) в растениях». Тенденции в растениеводстве. 16 (7): 372–80. Дои:10.1016 / j.tplants.2011.03.008. PMID  21482174.
  22. ^ Фэн Б., Лю Ц., Шань Л., Хэ П (декабрь 2016 г.). «АДФ-рибозилирование белков берет на себя управление взаимодействиями растений и бактерий». PLOS Патогены. 12 (12): e1005941. Дои:10.1371 / journal.ppat.1005941. ЧВК  5131896. PMID  27907213.
  23. ^ а б Сонг Дж., Кепплер Б.Д., Мудрый Р.Р., Бент А.Ф. (май 2015 г.). «PARP2 является преобладающей поли (АДФ-рибозой) полимеразой при повреждении ДНК арабидопсиса и иммунных ответах». PLOS Genetics. 11 (5): e1005200. Дои:10.1371 / journal.pgen.1005200. ЧВК  4423837. PMID  25950582.

внешние ссылки