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

Для использования в других целях, см PARP (значения) .
НАД + АДФ-рибозилтрансфераза
Идентификаторы
ЕС нет. 2.4.2.30
№ CAS 58319-92-9
Базы данных
IntEnz Просмотр IntEnz
BRENDA BRENDA запись
ExPASy Просмотр NiceZyme
КЕГГ Запись в KEGG
MetaCyc метаболический путь
ПРИАМ профиль
Структуры PDB RCSB PDB PDBe PDBsum
АДФ рибоза
Никотинамид аденин динуклеотид

Поли (АДФ-рибоза) полимераза ( PARP ) - это семейство белков, участвующих в ряде клеточных процессов, таких как репарация ДНК , стабильность генома и запрограммированная гибель клеток .

Члены семьи PARP

Семья PARP состоит из 17 членов (предположительно 10). Они сильно различаются по структуре и функциям внутри клетки.

Состав

PARP состоит из четырех представляющих интерес доменов: ДНК-связывающего домена , домена , расщепленного каспазой (см. Ниже), домена автоматической модификации и каталитического домена . ДНК-связывающий домен состоит из двух мотивов « цинковые пальцы» . В присутствии поврежденной ДНК (вырезанной из пар оснований) ДНК-связывающий домен будет связывать ДНК и вызывать конформационный сдвиг . Было показано, что это связывание происходит независимо от других доменов. Это является неотъемлемой частью модели запрограммированной гибели клеток, основанной на ингибировании расщепления каспазой 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 (обнаруженного в ядре клетки ) заключается в обнаружении и инициировании немедленного клеточного ответа на метаболические, химические или радиационно-индуцированные разрывы одноцепочечной ДНК (SSB) путем передачи сигналов ферментативному механизму, участвующему в репарации SSB .

Как только PARP обнаруживает SSB, он связывается с ДНК , претерпевает структурные изменения и начинает синтез полимерной цепи аденозиндифосфат-рибозы (поли (АДФ-рибоза) или PAR), которая действует как сигнал для других восстанавливающих ДНК. ферменты. Ферменты-мишени включают ДНК-лигазу III (LigIII), ДНК-полимеразу бета (polβ) и каркасные белки, такие как ген 1, перекрестно комплементирующий рентгеновские лучи (XRCC1). После восстановления цепи PAR разрушаются с помощью поли (ADP-рибозы) гликогидролазы (PARG).

НАД + необходим 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 окисление глюкозы ингибируется. Но совсем недавно было высказано предположение, что ингибирование активности гексокиназы приводит к дефектам гликолиза ( Andrabi, PNAS 2014 ). Базальная активность PARP также регулирует базальную биоэнергетику. Обратите внимание, что PARP инактивируется расщеплением каспазой-3 во время запрограммированной гибели клеток .

Ферменты PARP важны для ряда клеточных функций, включая экспрессию воспалительных генов: PARP1 необходим для индукции экспрессии гена ICAM-1 сердечными миоцитами и гладкомышечными клетками в ответ на TNF.

Деятельность

Каталитический домен отвечает за полимеризацию поли (АДФ-рибозы) . Этот домен имеет высококонсервативный мотив , общий 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 действовал как уходящая группа, оставляя единственную фосфатную группу, связывающую сахара дезоксирибозы . PAR синтезируется с использованием никотинамида (NAM) в качестве уходящей группы. 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 свои N-концевые цинковые пальцы и рекрутирует XRCC1 , ДНК-лигазу III, ДНК-полимеразу бета и киназу в разрыв. Это называется эксцизионной репарацией основания (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 посредством ремоделирования хроматина путем PAR-илирования гистонов и расслабления структуры хроматина, что позволяет транскрипционному комплексу получать доступ к генам.

PARP-1 и PARP-2 активируются однонитевыми 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.

Активность и продолжительность жизни PARP

Активность PARP (которая в основном обусловлена ​​PARP1), измеренная в пермеабилизированных мононуклеарных лейкоцитарных клетках крови тринадцати видов млекопитающих (крысы, морские свинки, кролики, мартышки, овцы, свиньи, крупный рогатый скот, пигмеи шимпанзе, лошади, ослы, гориллы, слоны и люди). ) коррелирует с максимальной продолжительностью жизни вида. Разница в активности между самыми долгоживущими (люди) и самыми короткоживущими (крысы) видами была 5-кратной. Хотя кинетика фермента (мономолекулярная константа скорости (kcat), Km и kcat / км) двух ферментов существенно не различалась, было обнаружено, что PARP-1 человека имеет вдвое более высокую способность к специфической автомодификации, чем фермент крысы, который предполагаемые авторы могут частично объяснить более высокую активность PARP у людей, чем у крыс. Линии лимфобластоидных клеток, 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, что снова указывает на связь между долголетием и способностью к восстановлению.

Эти данные свидетельствуют о том, что PARP-опосредованная способность к репарации ДНК способствует долголетию млекопитающих. Таким образом, эти результаты подтверждают теорию старения о повреждении ДНК , которая предполагает, что неремонтированное повреждение ДНК является основной причиной старения и что способность к восстановлению ДНК способствует долголетию.

Роль танкирасов

В tankyrases (TNKs) является PARPs , которые содержат анкириновые повторы , домен олигомеризации (SAM) и PARP каталитического домен (PCD). Танкирасы также известны как PARP-5a и PARP-5b. Они были названы по имени их взаимодействию с теломером -associated TERF1 белок и анкириновые повторами. 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 ( TNKS1BP1 ), GRB14 , IRAP, NuMa, EBNA-1 и Mcl-1 . Они выполняют множество функций в клетке, например, везикулярный транспорт посредством взаимодействия в везикулах GLUT4 с инсулино-чувствительной аминопептидазой (IRAP). Он также играет роль в сборке митотического веретена благодаря взаимодействию с белком 1 ядерного митотического аппарата (NuMa), тем самым обеспечивая необходимую биполярную ориентацию . В отсутствие TNKs остановка митоза наблюдается в пре- анафазе через контрольную точку веретена Mad2 . 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 быть активирован 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). PARP также обладает способностью вызывать запрограммированную гибель клеток за счет продукции PAR, который стимулирует митохондрии к высвобождению AIF . 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 дифференцированно маркировать копию ДНК, унаследованную от материнской или отцовской ДНК, посредством процесса, известного как геномный импринтинг (требуется проверка). 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 связанным с репликацией повреждениям, которые не могут быть восстановлены, если репарация гомологичной рекомбинации (HRR) является дефектной, и приводя 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.

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 органа). Есть также данные наблюдений, демонстрирующие активацию PARP в образцах тканей человека. При этих показаниях к заболеванию сверхактивация PARP из-за окислительного 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 при различных неонкологических показаниях, в процессе, называемом «терапевтическое перепрофилирование». .

Инактивация

PARP инактивируется расщеплением каспазой . Считается, что нормальная инактивация происходит в системах с обширным повреждением ДНК. В этих случаях для восстановления 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, недавно появились данные об обратимых механизмах подавления для PARP, среди которых есть «ауторегуляторная петля», которая управляется самим PARP1 и модулируется фактором транскрипции YY1 .

Хотя расщепление каспазой in vitro происходит во всем семействе каспаз, предварительные данные предполагают, что каспаза-3 и каспаза-7 ответственны 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 автоматической модификации и каталитический домен. Предполагаемый механизм активации PCD посредством инактивации PARP основан на разделении ДНК-связывающей области и домена автоматической 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, нерасщепленных 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. PARP1 растений очень похож на PARP1 животных, но, что интересно, у Arabidopsis thaliana и, предположительно, других растений PARP2 играет более значительную роль, чем PARP1, в защитных реакциях на повреждение ДНК и бактериальном патогенезе. PARP2 растения несет регуляторные и каталитические домены PARP с 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.

Смотрите также

использованная литература

внешние ссылки