ADP -ribosylering - ADP-ribosylation
ADP-ribosylering är tillsatsen av en eller flera ADP- ribosgrupper till ett protein . Det är en reversibel posttranslationell modifiering som är involverad i många cellulära processer, inklusive cellsignalering , DNA-reparation , genreglering och apoptos . Felaktig ADP-ribosylering har varit inblandad i vissa former av cancer. Det är också grunden för toxiciteten hos bakteriella föreningar såsom kolera toxin , difteritoxin och andra.
Historia
Det första förslaget om ADP-ribosylering dök upp under början av 1960-talet. Vid den här tiden observerade Pierre Chambon och kollegor införlivandet av ATP i extrakt av hönelever. Efter omfattande studier av den syraolösliga fraktionen kunde flera olika forskningslaboratorier identifiera ADP-ribos , härledd från NAD + , som den införlivade gruppen. Flera år senare identifierades de enzymer som ansvarar för denna införlivning och fick namnet poly (ADP-ribos) polymeras. Ursprungligen trodde man att denna grupp var en linjär sekvens av ADP-ribosenheter kovalent bundna genom en ribosglykosidbindning. Det rapporterades senare att förgrening kan inträffa var 20 till 30 ADP -rester.
Det första utseendet av mono (ADP-ribosyl) ation inträffade ett år senare under en studie av toxiner: corynebacterium difteria difteritoxin visade sig vara beroende av NAD + för att det ska vara helt effektivt, vilket leder till upptäckten av enzymatisk konjugering av en enda ADP-ribosgrupp med mono (ADP-ribosyl) transferas.
Man trodde initialt att ADP-ribosylering var en posttranslationell modifiering som enbart var inblandad i genreglering. Men eftersom fler enzymer med förmåga att ADP-ribosylera proteiner upptäcktes, blev den multifunktionella naturen hos ADP-ribosylering uppenbar. Det första däggdjursenzymet med poly (ADP-ribos) transferasaktivitet upptäcktes under slutet av 1980-talet. Under de närmaste 15 åren trodde man att det var det enda enzym som kunde addera en kedja av ADP-ribos i däggdjursceller. Under slutet av 1980-talet upptäcktes ADP-ribosylcykler, som katalyserar tillsatsen av cykliska ADP-ribosgrupper till proteiner. Slutligen upptäcktes att sirtuiner , en familj av enzymer som också har NAD + -beroende deacyleringsaktivitet, också har mono (ADP -ribosyl) transferasaktivitet.
Katalytisk mekanism
Källan till ADP-ribos för de flesta enzymer som utför denna modifiering är redox-kofaktorn NAD + . I denna överföringsreaktion klyvs den N -glykosidiska bindningen av NAD + som överbryggar ADP -ribosmolekylen och nikotinamidgruppen, följt av nukleofil attack av målaminosyrasidokedjan. (ADP-ribosyl) transferaser kan utföra två typer av modifieringar: mono (ADP-ribosyl) ation och poly (ADP-ribosyl) ation.
Mono (ADP-ribosyl) ation
Mono (ADP-ribosyl) transferaser katalyserar vanligtvis tillsatsen av ADP-ribos till argininsidokedjor med användning av ett mycket konserverat RS-EXE-motiv av enzymet. Reaktionen fortsätter genom att bryta bindningen mellan nikotinamid och ribos för att bilda en oxoniumjon . Därefter verkar argininsidokedjan hos målproteinet sedan en nukleofil och angriper det elektrofila kolet intill oxoniumjonen. För att detta steg ska ske deprotoneras argininnukleofilen med en glutamatrest på det katalyserande enzymet. En annan konserverad glutamatrest bildar en vätebindning med en av hydroxylgrupperna på riboskedjan för att ytterligare underlätta denna nukleofila attack. Som ett resultat av klyvningsreaktionen frigörs nikotinamid. Modifieringen kan reverseras av (ADP-ribosyl) hydrolaser, som klyver den N- glykosidiska bindningen mellan arginin och ribos för att frigöra ADP-ribos och omodifierat protein; NAD + återställs inte av omvänd reaktion.
Poly (ADP-ribosyl) ation
Poly (ADP-ribos) polymeraser (PARP) finns mestadels i eukaryoter och katalyserar överföringen av flera ADP-ribosmolekyler till målproteiner. Som med mono (ADP-ribosyl) ation är källan till ADP-ribos NAD + . PARP använder en katalytisk triad av His-Tyr-Glu för att underlätta bindning av NAD + och positionering av änden av den befintliga poly (ADP-ribos) kedjan på målproteinet; Glu underlättar katalys och bildning av en (1 '' → 2 ') O -glykosidbindning mellan två ribosmolekyler. Det finns flera andra enzymer som känner igen poly (ADP-ribos) kedjor, hydrolyserar dem eller bildar grenar; över 800 proteiner har antecknats för att innehålla det löst definierade poly (ADP-ribos) bindningsmotivet; därför kan den förutom denna modifiering ändra målproteinkonformation och struktur också användas som en tagg för att rekrytera andra proteiner eller för reglering av målproteinet.
Aminosyraspecificitet
Många olika aminosyrasidokedjor har beskrivits såsom ADP-ribos acceptorer. Från ett kemiskt perspektiv, representerar denna modifiering protein glykosylering : överföring av ADP-ribos inträffar på aminosyrasidokedjor med en nukleofil syre, kväve eller svavel, vilket resulterar i N -, O -, eller S -glycosidic länkning till ribosen i ADP-ribosen. Ursprungligen beskrevs sura aminosyror ( glutamat och aspartat ) som de viktigaste platserna för ADP-ribosylering. Många andra ADP-ribosacceptorställen såsom serin , arginin , cystein , lysin , diftamid , fosfoserin och asparagin har dock identifierats i efterföljande arbeten.
Fungera
Apoptos
Under DNA-skada eller cellulär stress aktiveras PARP, vilket leder till en ökning av mängden poly (ADP-ribos) och en minskning av mängden NAD + . I över ett decennium trodde man att PARP1 var det enda poly (ADP-ribos) polymeraset i däggdjursceller, därför har detta enzym varit det mest studerade. Kaspaser är en familj av cystein proteaser som är kända för att spela en viktig roll i programmerad celldöd . Detta proteas klyver PARP-1 i två fragment och lämnar det helt inaktivt för att begränsa poly (ADP-ribos) produktion. Ett av dess fragment migrerar från kärnan till cytoplasman och tros bli ett mål för autoimmunitet.
Under caspas-oberoende apoptos , även kallad partanatos, kan poly (ADP-ribos) ackumulering uppstå på grund av aktivering av PARP eller inaktivering av poly (ADP-ribos) glycohydrolas , ett enzym som hydrolyserar poly (ADP-ribos) för att producera gratis ADP- ribos. Studier har visat att poly (ADP-ribos) driver translokationen av det apoptosinducerande faktorproteinet till kärnan där det kommer att förmedla DNA-fragmentering . Det har föreslagits att om ett misslyckande av caspasaktivering under stressförhållanden skulle inträffa skulle nekroptos äga rum. Överaktivering av PARP har lett till en nekrotisk celldöd reglerad av tumörnekrosfaktorproteinet . Även om mekanismen ännu inte är förstådd har PARP -hämmare visat sig påverka nekroptos.
Genreglering
ADP-ribosylering kan påverka genuttryck på nästan alla regleringsnivåer, inklusive kromatinorganisation, rekrytering och bindning av transkriptionsfaktorer och mRNA-bearbetning.
Organiseringen av nukleosomer är nyckeln till reglering av genuttryck: avståndet och organisationen av nukleosomer ändrar vilka regioner av DNA som är tillgängliga för transkriptionsmaskiner för att binda och transkribera DNA. PARP1 , ett poly-ADP-ribospolymeras, har visat sig påverka kromatinstrukturen och främja förändringar i organisationen av nukleosomer genom modifiering av histoner .
PARP har visat sig påverka transkriptionsfaktorstruktur och orsaka rekrytering av många transkriptionsfaktorer för att bilda komplex vid DNA och framkalla transkription. Mono (ADP-ribosyl) transferaser har också visat sig påverka transkriptionsfaktorbindning hos promotorer. Till exempel har PARP14, ett mono (ADP-ribosyl) transferas, visat sig påverka STAT- transkriptionsfaktorbindning.
Andra (ADP-ribosyl) transferaser har visat sig modifiera proteiner som binder mRNA , vilket kan orsaka tystnad av det gentranskriptet.
DNA -reparation
Poly (ADP-ribos) polymeraser (PARP) kan fungera vid DNA-reparation av enkelsträngsavbrott såväl som dubbelsträngsavbrott. Vid enkelsträngsbrottsreparation ( basexcisionsreparation ) kan PARP antingen underlätta avlägsnande av ett oxiderat socker eller klyvning av strängar. PARP1 binder enkelsträngspauserna och drar alla närliggande basexcisionsreparationsmellanprodukter nära. Dessa mellanprodukter inkluderar XRCC1 och APLF och de kan rekryteras direkt eller via PBZ -domänen för APLF. Detta leder till syntesen av poly (ADP-ribos). PBZ-domänen finns i många proteiner som är involverade i DNA-reparation och möjliggör bindning av PARP och därmed ADP-ribosylering som rekryterar reparationsfaktorer för att interagera vid brytningsstället. PARP2 är en sekundär responder för DNA -skada men tjänar till att tillhandahålla funktionell redundans vid DNA -reparation.
Det finns många mekanismer för reparation av skadat dubbelsträngat DNA. PARP1 kan fungera som en synapsfaktor vid alternativa icke-homologa ändförbindelser. Dessutom har det föreslagits att PARP1 krävs för att bromsa replikationsgafflar efter DNA -skada och främjar homolog rekombination vid replikationsgafflar som kan vara dysfunktionella. Det är möjligt att PARP1 och PARP3 arbetar tillsammans för reparation av dubbelsträngat DNA och det har visats att PARP3 är avgörande för dubbelsträngad pausupplösning. Det finns två hypoteser genom vilka PARP1 och PARP3 sammanfaller. Den första hypotesen säger att de två (ADP-ribosyl) transferaserna fungerar för varandras inaktivitet. Om PARP3 går förlorat resulterar detta i enkelsträngsavbrott och därmed rekrytering av PARP1. En andra hypotes antyder att de två enzymet fungerar tillsammans; PARP3 katalyserar mono (ADP-ribosyl) ation och kort poly (ADP-ribosyl) ation och tjänar till att aktivera PARP1.
PARP har många proteinmål på platsen för DNA -skada. KU-protein och DNA-PKcs är båda dubbelsträngade pausreparationskomponenter med okända platser för ADP-ribosylering. Histoner är ett annat proteinmål för PARP: erna. Alla kärnhistoner och linkerhiston H1 är ADP-ribosylerade efter DNA-skada. Funktionen av dessa modifieringar är fortfarande okänd, men det har föreslagits att ADP-ribosylering modulerar kromatinstruktur av högre ordning för att underlätta mer tillgängliga platser för reparationsfaktorer att migrera till DNA-skadan.
Proteinnedbrytning
Ubiquitin-proteasome-systemet (UPS) är framträdande i proteinnedbrytning. Den 26S proteasom består av en katalytisk subenhet (20S kärnpartikeln), och en regulatorisk underenhet (den 19S cap). Poly-ubiquitinkedjor märker proteiner för nedbrytning av proteasomen, vilket orsakar hydrolys av märkta proteiner till mindre peptider.
Fysiologiskt angriper PI31 20S katalytisk domän av 26S Proteasome som resulterar i minskad proteasomaktivitet. (ADP-ribosyl) transferas Tankyras (TNKS) orsakar ADP-ribosylering av PI31 vilket i sin tur ökar proteasomaktiviteten. Hämning av TNK visar vidare den reducerade 26S Proteasome -enheten. Därför främjar ADP-ribosylering 26S Proteasome aktivitet i både Drosophila och humana celler.
Klinisk signifikans
Cancer
PARP1 är involverad i reparation av basexcision (BER), enkel- och dubbelsträngad pausreparation och kromosomstabilitet. Det är också involverat i transkriptionell reglering genom dess underlättande av protein -protein -interaktioner . PARP1 använder NAD + för att utföra sin funktion vid apoptos. Om en PARP blir överaktiv kommer cellen att ha minskade nivåer av NAD + kofaktor samt minskade nivåer av ATP och därmed genomgå nekros . Detta är viktigt vid cancerframkallande eftersom det kan leda till urval av PARP1 -bristfälliga celler (men inte utarmade) på grund av deras överlevnadsfördel under cancertillväxt.
Mottaglighet för cancerframkallande under PARP1 -brist beror avsevärt på vilken typ av DNA -skada som uppstår. Det finns många konsekvenser att olika PARP är inblandade i att förebygga cancerframkallande. Som tidigare nämnts är PARP1 och PARP2 inblandade i BER och kromosomstabilitet. PARP3 är involverad i centrosomreglering . Tankyras är ett annat (ADP-ribosyl) polymeras som är involverat i telomerlängdreglering .
PARP1 -hämning har också studerats i stor utsträckning inom behandling mot cancer. Verkningsmekanismen för en PARP1 -hämmare är att förstärka skadan som orsakas av kemoterapi på cancer -DNA genom att inte tillåta PARP1: s reparativa funktion hos BRCA1/2 -bristfälliga individer.
PARP14 är ett annat ADP-ribosyleringsenzym som har studerats väl när det gäller mål för cancerterapi; det är en signaltransducer och aktiverare av STAT6- transkriptionsinteragerande protein och visade sig vara associerat med aggressiviteten hos B-celllymfom.
Bakteriella toxiner
Bakteriella ADP-ribosylerande exotoxiner (bARE) överför kovalent en ADP-ribosgrupp av NAD + till målproteiner av infekterade eukaryoter för att ge nikotinamid och en fri vätejon. bARE produceras som enzymprekursorer , bestående av en "A"-och "B" -domän: "A" -domänen är ansvarig för ADP-ribosyleringsaktivitet; och "B" -domänen för translokation av enzymet över cellens membran. Dessa domäner kan existera tillsammans i tre former: för det första som enkla polypeptidkedjor med A- och B -domäner kovalent kopplade; för det andra i multiproteinkomplex med A- och B-domäner bundna av icke-kovalenta interaktioner; och för det tredje i multiproteinkomplex med A- och B-domäner som inte direkt interagerar före behandling.
Vid aktivering barer ADP-ribosylatet valfritt antal eukaryota proteiner; en sådan mekanism är avgörande för anstiftan av de sjuka tillstånden i samband med ADP-ribosylering. GTP-bindande proteiner är i synnerhet väletablerade inom bAREs patofysiologi. För exempel riktar kolera och värmelabilt enterotoxin på a-subenheten av Gs av heterotrimära GTP-bindande proteiner . Eftersom a-subenheten är ADP-ribosylerad är den permanent i ett "aktivt", GTP-bundet tillstånd; efterföljande aktivering av intracellulär cyklisk AMP stimulerar utsläpp av vätska och joner från tarmepitelceller. Vidare har C. Botulinum C3 ADP-ribosylater GTP-bindande proteiner Rho och Ras och Pertussis-toxin ADP-ribosylater Gi , Go och Gt. Difteritoxin ADP-ribosylater ribosomal töjningsfaktor EF-2 , som dämpar proteinsyntesen.
Det finns en mängd olika bakterier som använder bARE vid infektion: CARDS -toxin från Mycoplasma pneumoniae , koleratoxin från Vibrio cholerae ; värmelabilt enterotoxin av E. coli ; exotoxin A från Pseudomonas aeruginosa ; kikstoxin av B. pertussis ; C3 -toxin av C. botulinum ; och difteritoxin från Corynebacterium diphtheriae .
Se även
- Histonkod
- Cell signalering
- PARP-1
- Kolera toxin
- NAD+ ADP-ribosyltransferas
- Kikstoxin
- Eftertranslationell modifiering