ADP-ribozilare - ADP-ribosylation
ADP-ribozilarea este adăugarea unuia sau mai multor porțiuni ADP-riboză la o proteină . Este o modificare reversibilă post-translațională care este implicată în multe procese celulare, inclusiv semnalizarea celulară , repararea ADN-ului , reglarea genelor și apoptoza . Ribozilarea ADP necorespunzătoare a fost implicată în unele forme de cancer. Este, de asemenea, baza pentru toxicitatea compușilor bacterieni, cum ar fi toxina holerei , toxina difterică și altele.
Istorie
Prima sugestie a ribozilării ADP a apărut la începutul anilor 1960. În acest moment, Pierre Chambon și colegii săi au observat încorporarea ATP în extractul de nucleu de ficat de găină. După studii ample asupra fracției insolubile în acid, mai multe laboratoare de cercetare au reușit să identifice ADP-riboză , derivată din NAD + , ca grup încorporat. Câțiva ani mai târziu, enzimele responsabile pentru această încorporare au fost identificate și au primit denumirea de poli (ADP-riboză) polimerază. Inițial, acest grup a fost considerat a fi o secvență liniară de unități ADP-riboză legate covalent printr-o legătură glicozidică a ribozei. Ulterior s-a raportat că ramificarea poate avea loc la fiecare 20-30 de reziduuri ADP.
Prima apariție a mono (ADP-ribozil) acțiune a avut loc un an mai târziu în timpul unui studiu de toxine: s-a arătat că toxina corynebacterium difteria difterică depinde de NAD + pentru ca aceasta să fie complet eficientă, ducând la descoperirea conjugării enzimatice a o singură grupă ADP-riboză prin mono (ADP-ribozil) transferază.
S-a crezut inițial că ADP-ribozilarea a fost o modificare post-translațională implicată exclusiv în reglarea genelor. Cu toate acestea, pe măsură ce au fost descoperite mai multe enzime cu capacitatea de a proteina ADP-ribozilat, natura multifuncțională a ribozilării ADP a devenit evidentă. Prima enzimă a mamiferelor cu activitate poli (ADP-riboză) transferază a fost descoperită la sfârșitul anilor 1980. În următorii 15 ani, sa crezut că este singura enzimă capabilă să adauge un lanț de ADP-riboză în celulele mamiferelor. La sfârșitul anilor 1980 , au fost descoperite ADP-ribozil ciclasele, care catalizează adăugarea grupelor ciclice-ADP-riboză la proteine. În cele din urmă, s-a descoperit că sirtuinele , o familie de enzime care posedă și activitate de dezacilare dependentă de NAD + , posedă și activitate mono (ADP-ribozil) transferază.
Mecanism catalitic
Sursa ADP-ribozei pentru majoritatea enzimelor care efectuează această modificare este cofactorul redox NAD + . În această reacție de transfer, legătura N- glicozidică a NAD + care leagă molecula ADP-riboză și grupa nicotinamidă este clivată, urmată de atacul nucleofil al lanțului lateral al aminoacizilor țintă. (ADP-ribozil) transferazele pot efectua două tipuri de modificări: mono (ADP-ribozil) acțiune și poli (ADP-ribozil) acțiune.
Acțiune mono (ADP-ribozil)
Mono (ADP-ribozil) transferazele catalizează în mod obișnuit adăugarea de ADP-riboză la lanțurile laterale ale argininei utilizând un motiv RS-EXE extrem de conservat al enzimei. Reacția are loc prin ruperea legăturii dintre nicotinamidă și riboză pentru a forma un ion oxoniu . Apoi, lanțul lateral de arginină al proteinei țintă acționează apoi un nucleofil, atacând carbonul electrofil adiacent ionului oxoniu. Pentru ca această etapă să aibă loc, nucleofilul de arginină este deprotonat de un reziduu de glutamat pe enzima catalizatoare. Un alt reziduu de glutamat conservat formează o legătură de hidrogen cu una dintre grupările hidroxil de pe lanțul ribozei pentru a facilita în continuare acest atac nucleofil. Ca urmare a reacției de scindare, nicotinamida este eliberată. Modificarea poate fi inversată de (ADP-ribozil) hidrolaze, care scindează legătura N- glicozidică dintre arginină și riboză pentru a elibera ADP-riboză și proteina nemodificată; NAD + nu este restabilit prin reacția inversă.
Poli (ADP-ribozil) acțiune
Poli (ADP-riboză) polimeraze (PARP) se găsesc mai ales în eucariote și catalizează transferul mai multor molecule ADP-riboză către proteinele țintă. Ca și în cazul mono (ADP-ribozil) acțiune, sursa ADP-ribozei este NAD + . PARP-urile utilizează o triadă catalitică a His-Tyr-Glu pentru a facilita legarea NAD + și poziționarea capătului lanțului poli (ADP-riboză) existent pe proteina țintă; Glu facilitează cataliza și formarea unei legături O (1 '' → 2 ') glicozidice între două molecule de riboză. Există mai multe alte enzime care recunosc lanțurile poli (ADP-riboză), le hidrolizează sau formează ramuri; peste 800 de proteine au fost adnotate pentru a conține motivul de legare poli (ADP-riboză) slab definit; prin urmare, pe lângă această modificare care modifică conformația și structura proteinei țintă, poate fi folosită și ca etichetă pentru recrutarea altor proteine sau pentru reglarea proteinei țintă.
Specificitatea aminoacizilor
Multe lanțuri laterale diferite de aminoacizi au fost descrise ca acceptori ADP-riboză. Din punct de vedere chimic, această modificare reprezintă proteina glicozilare : transferul ADP-riboza are loc pe amino catene laterale acide cu un oxigen nucleofil, azot sau sulf, rezultând N -, O -, sau S legătura -glycosidic la riboză de ADP-riboză. Inițial, aminoacizii acizi ( glutamat și aspartat ) au fost descriși drept principalele situri ale ribozilării ADP. Cu toate acestea, în alte lucrări ulterioare au fost identificate multe alte situri de acceptare a ADP-riboză, cum ar fi serina , arginina , cisteina , lizina , diftamida , fosfoserina și asparagina .
Funcţie
Apoptoza
În timpul deteriorării ADN-ului sau a stresului celular, PARP-urile sunt activate, ducând la o creștere a cantității de poli (ADP-riboză) și la o scădere a cantității de NAD + . Timp de peste un deceniu s-a crezut că PARP1 a fost singura polimerază poli (ADP-riboză) din celulele mamiferelor, prin urmare această enzimă a fost cea mai studiată. Caspazele sunt o familie de cisteină proteaze despre care se știe că joacă un rol esențial în moartea celulară programată . Această protează scindează PARP-1 în două fragmente, lăsându-l complet inactiv, pentru a limita producția de poli (ADP-riboză). Unul dintre fragmentele sale migrează de la nucleu la citoplasmă și se crede că devine o țintă a autoimunității.
În timpul apoptozei independente de caspază , numită și parthanatos, poate apărea acumularea poli (ADP-riboză) datorită activării PARP-urilor sau inactivării poli (ADP-ribozei) glicohidrolazei , o enzimă care hidrolizează poli (ADP-riboză) pentru a produce ADP- riboză. Studiile au arătat că poli (ADP-riboză) determină translocarea proteinei factorului de inducere a apoptozei către nucleul unde va media fragmentarea ADN-ului . S-a sugerat că, dacă ar avea loc un eșec al activării caspazei în condiții de stres, ar avea loc necroptoza. Supraactivarea PARP-urilor a dus la moartea celulelor necrotice reglementate de proteina factorului de necroză tumorală . Deși mecanismul nu este încă înțeles, s-a demonstrat că inhibitorii PARP afectează necroptoza.
Reglarea genelor
ADP-ribozilarea poate afecta expresia genelor la aproape fiecare nivel de reglare, inclusiv organizarea cromatinei, recrutarea și legarea factorilor de transcripție și prelucrarea ARNm.
Organizarea nucleozomilor este esențială pentru reglarea expresiei genelor: distanțarea și organizarea nucleozomilor schimbă ce regiuni ale ADN-ului sunt disponibile pentru ca mașinile de transcripție să se lege și să transcrie ADN-ul. S -a dovedit că PARP1 , o poli-ADP riboză polimerază, afectează structura cromatinei și promovează schimbări în organizarea nucleozomilor prin modificarea histonelor .
S-a demonstrat că PARP afectează structura factorului de transcripție și determină recrutarea multor factori de transcripție pentru a forma complexe la nivelul ADN-ului și a provoca transcrierea. S-a demonstrat, de asemenea, că mono (ADP-ribozil) transferazele afectează legarea factorului de transcripție la promotori. De exemplu, s-a demonstrat că PARP14, o mono (ADP-ribozil) transferază, afectează legarea factorului de transcripție STAT .
S-a demonstrat că alte (ADP-ribozil) transferaze modifică proteinele care leagă ARNm , ceea ce poate determina reducerea acelei transcripții genetice.
Repararea ADN-ului
Polimerazele poli (ADP-riboză) (PARP) pot funcționa în repararea ADN a pauzelor cu catenă simplă, precum și a pauzelor cu catenă dublă. În repararea pauzei cu un singur fir (repararea exciziei de bază ), PARP poate facilita îndepărtarea unui zahăr oxidat sau scindarea firului. PARP1 leagă rupturile cu un singur fir și atrage orice intermediar de reparație a exciziei de bază din apropiere. Acești intermediari includ XRCC1 și APLF și pot fi recrutați direct sau prin domeniul PBZ al APLF. Acest lucru duce la sinteza poli (ADP-riboză). Domeniul PBZ este prezent în multe proteine implicate în repararea ADN-ului și permite legarea PARP și, prin urmare, ADP-ribozilarea care recrutează factori de reparare pentru a interacționa la locul de rupere. PARP2 este un răspuns secundar la deteriorarea ADN-ului, dar servește la asigurarea redundanței funcționale în repararea ADN-ului.
Există multe mecanisme pentru repararea ADN-ului dublu catenar deteriorat. PARP1 poate funcționa ca un factor de sinapsă în îmbinarea finală neomologă alternativă. În plus, s-a propus că PARP1 este necesar pentru încetinirea furcilor de replicare după deteriorarea ADN-ului și promovează recombinarea omologă la furcile de replicare care pot fi disfuncționale. Este posibil ca PARP1 și PARP3 să lucreze împreună la repararea ADN-ului cu dublă catenă și s-a demonstrat că PARP3 este esențial pentru rezoluția rupturii cu catenă dublă. Există două ipoteze prin care PARP1 și PARP3 coincid. Prima ipoteză afirmă că cele două (ADP-ribozil) transferaze servesc să funcționeze pentru inactivitatea celuilalt. Dacă PARP3 este pierdut, acest lucru are ca rezultat pauze cu un singur fir și, prin urmare, recrutarea PARP1. O a doua ipoteză sugerează că cele două enzime funcționează împreună; PARP3 catalizează acțiunea mono (ADP-ribozil) și acțiunea scurtă de poli (ADP-ribozil) și servește la activarea PARP1.
PARP-urile au multe ținte proteice la locul deteriorării ADN-ului. Proteina KU și ADN-PKcs sunt ambele componente de reparare a pauzelor bicatenare cu situri necunoscute de ribozilare ADP. Histonele sunt o altă țintă proteică a PARP-urilor. Toate histonele de bază și histona linker H1 sunt ADP-ribozilate după deteriorarea ADN-ului. Funcția acestor modificări este încă necunoscută, dar s-a propus că ADP-ribozilarea modulează structura cromatinei de ordin superior în eforturile de a facilita locații mai accesibile pentru ca factorii de reparație să migreze la deteriorarea ADN-ului.
Degradarea proteinelor
Sistemul ubiquitin-proteazom (UPS) figurează în mod proeminent în degradarea proteinelor. Proteazomul 26S constă dintr - o subunitate catalitică (particula de miez 20S) și o subunitate regulatoare (19S capac). Lanțurile poli-ubiquitină etichetează proteinele pentru degradarea de către proteazom, ceea ce determină hidroliza proteinelor marcate în peptide mai mici.
Fiziologic, PI31 atacă domeniul catalitic 20S al proteazomului 26S, ceea ce duce la scăderea activității proteazomului. (ADP-ribozil) transferaza Tankyrase (TNKS) determină ADP-ribozilarea PI31, care la rândul său mărește activitatea proteazomului. Inhibarea TNK arată în continuare ansamblul Proteasome 26S redus. Prin urmare, ribozilarea ADP promovează activitatea proteasomului 26S atât în Drosophila cât și în celulele umane.
Semnificația clinică
Cancer
PARP1 este implicat în repararea exciziei de bază (BER), repararea pauzelor cu un singur și dublu fir și stabilitatea cromozomială. De asemenea, este implicat în reglarea transcripțională prin facilitarea interacțiunilor proteină-proteină . PARP1 folosește NAD + pentru a-și îndeplini funcția în apoptoză. Dacă un PARP devine hiperactiv, celula va avea niveluri scăzute de cofactor NAD + , precum și niveluri scăzute de ATP și, prin urmare, va suferi necroză . Acest lucru este important în carcinogeneză, deoarece ar putea duce la selectarea celulelor cu deficit de PARP1 (dar nu epuizate) datorită avantajului lor de supraviețuire în timpul creșterii cancerului.
Susceptibilitatea la carcinogeneză sub deficit de PARP1 depinde în mod semnificativ de tipul de daune ADN suferite. Există multe implicații că diferiți PARP sunt implicați în prevenirea carcinogenezei. După cum sa menționat anterior, PARP1 și PARP2 sunt implicați în BER și stabilitatea cromozomială. PARP3 este implicat în reglarea centrosomului . Tankiraza este o altă (ADP-ribozil) polimerază care este implicată în reglarea lungimii telomerilor .
Inhibarea PARP1 a fost, de asemenea, studiată pe scară largă în terapeutica anticancerigenă. Mecanismul de acțiune al unui inhibitor PARP1 este de a spori daunele cauzate de chimioterapie asupra ADN-ului canceros prin interzicerea funcției reparatorii a PARP1 la persoanele cu deficit de BRCA1 / 2.
PARP14 este o altă enzimă ribozilantă ADP care a fost bine studiată în ceea ce privește obiectivele terapiei împotriva cancerului; este un traductor de semnal și activator al proteinei care interacționează cu transcripția STAT6 și s-a dovedit a fi asociat cu agresivitatea limfoamelor cu celule B.
Toxine bacteriene
Exotoxinele bacteriene ADP-ribozilante (BARE) transferă covalent o porțiune ADP-riboză a NAD + către proteinele țintă ale eucariotelor infectate, pentru a produce nicotinamidă și un ion hidrogen liber. bARE-urile sunt produse ca precursori enzimatici , constând din domenii "A" și "B": domeniul "A" este responsabil pentru activitatea de ribozilare ADP; și, domeniul "B" pentru translocarea enzimei peste membrana celulei. Aceste domenii pot exista împreună în trei forme: în primul rând, ca lanțuri polipeptidice unice cu domenii A și B legate covalent; în al doilea rând, în complexe multi-proteice cu domenii A și B legate de interacțiuni non-covalente; și, în al treilea rând, în complexe multi-proteice cu domenii A și B care nu interacționează direct, înainte de procesare.
La activare, BAREs ADP-ribozilat orice număr de proteine eucariote; un astfel de mecanism este crucial pentru instigarea stărilor bolnave asociate cu ADP-ribozilare. Proteinele care leagă GTP , în special, sunt bine stabilite în fiziopatologia BARE. De exemplu, holera și enterotoxina labilă la căldură vizează subunitatea α a Gs a proteinelor heterotrimerice care leagă GTP . Deoarece subunitatea a este ADP-ribozilată, este permanent într-o stare „activă”, legată de GTP; activarea ulterioară a AMP ciclic intracelular stimulează eliberarea de lichide și ioni din celulele epiteliale intestinale. Mai mult, C. Botulinum C3 ADP-ribozilați GTP care leagă proteinele Rho și Ras și toxina pertussis ADP-ribozilați Gi , Go și Gt. Toxina difterică ADP-ribozilate factor de alungire ribozomal EF-2 , care atenuează sinteza proteinelor.
Există o varietate de bacterii , care utilizează dezgolește în infecția: CĂRȚI toxina de Mycoplasma pneumoniae , toxina holerei din Vibrio cholerae ; enterotoxina termolabilă a E. coli ; exotoxina A a Pseudomonas aeruginosa ; toxina pertussis a B. pertussis ; Toxina C3 a C. botulinum ; și toxina difterică a Corynebacterium diphtheriae .
Vezi si
- Codul histonei
- Semnalizare celulară
- PARP-1
- Toxina holerei
- NAD + ADP-riboziltransferază
- Toxina pertussis
- Modificare post-traducătoare