= ОБЗОРЫ
УДК 577.21
МЕХАНИЗМЫ РЕГУЛЯЦИИ ТРАНСКРИПЦИИ ПОЛИ(АБР-РИВОЗО)-ПОЛИМЕРАЗОЙ 1 (PARP1)
© 2015 г. Н. В. Малюченко1*, О. И. Кулаева1, 2, Е. Котова2, А. А. Чупыркина1, Д. В. Никитин1, 3,
М. П. Кирпичников1, В. М. Студитский1, 2*
биологический факультет Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова,
Москва, 119991 Россия 2Fox Chase Cancer Center, Philadelphia, PA, 19111-2497 USA 3Институт биохимии и физиологии микроорганов им. Г.К. Скрябина Российской академии наук,
Пущино, Московская обл., 142290, Россия Поступила в редакцию и принята к печати 15.09.2014 г.
Поли(АБР)-рибозилирование является одной из посттрансляционных модификаций ядерных белков и играет ключевую роль в немедленном ответе клетки на генотоксический стресс. Поли(АБР-рибозо)-полимеразы (PARP) синтезируют длинные и разветвленные полимеры ADP-рибозы на акцепторных белках-регуляторах и, тем самым, меняют их активность. Метаболизм поли-ADP регулирует репарацию ДНК, клеточный цикл, репликацию, старение и гибель клетки, ремоделирование структуры хроматина и транскрипцию генов. Фермент PARP1 — один из самых распространенных ядерных белков; именно он отвечает за продукцию ~90% полимеров ADP-рибозы в клетке. Ингибиторы PARP1 являются перспективными противоопухолевыми агентами. В то же время использование распространенных ингибиторов, ориентированных на каталитический домен PARP1, приводит к ряду побочных эффектов. Поэтому, учитывая потенциальные преимущества использования ингибиторов PARP1 для лечения множественных заболеваний, необходимо разрабатывать новые стратегии угнетения активности этого фермента. Он имеет модульную структуру и обладает каталитической, транскрипционной и ДНК-связывающей активностями. В обзоре рассмотрено, в первую очередь, участие PARP1 в транскрипционной регуляции, его строение и функциональная организация, а также множественные пути регуляции процесса транскрипции этим фактором на этапах ремоделирования хроматина, метилирования ДНК и транскрипции. Исследования молекулярных механизмов регуляции этих процессов могут служить основой для поиска и разработки новых ингибиторов PARP1.
Ключевые слова: PARP1, поли(ADP)-рибозилирование, транскрипция, хроматин.
MOLECULAR MECHANISMS OF REGULAION OF TRANSCRIPTION BY PARP1, by N. V. Maluchenko1*, O. I. Kulaeva1,2, E. Kotova2, A A Chupyrkina1, D. V. Nikitin1, 3, M. P. Kirpichnikov\ V M. Studitsky1,2* ^Department of Biology, Moscow State University, Moscow, 119991 Russia; 2Fox Chase Cancer Center, Philadelphia, PA, 19111-2497 USA; 3Skriabin Institute of Biochemistry and Physiology of Microorganisms, Russian Academy ofSciences, Pushchino, Moscow Region, 142290 Russia, *e-mail: mal_nat@mail.ru; \asily.Studitsky@fccc.edu). Poly-ADP-ribosylation is a covalent post-translational modification of nuclear proteins that plays a key role in the immediate response of cells to genotoxic stress. Poly(ADP-ribose) polymerase (PARP) synthesizes long and branched polymers of ADP-ribose onto acceptor regulator proteins, and thereby change their activity. Metabolism of poly-ADP regulates DNA repair, cell cycle, replication, aging and death of cells, as well as remodeling of chromatin structure and gene transcription. PARP1 is one of the most common nuclear proteins; it is responsible for production of ~90% of the polymers of ADP-ribose in the cell. PARP1 inhibitors are promising antitumor agents. At the same time, the current inhibitors target the catalytic domain of PARP1 that leads to a number of side effects. Therefore, considering the potential benefits of PARP1 inhibitors for the treatment of multiple diseases, it is necessary to develop new strategies of PARP1 inhibition. PARР1 has a modular structure and has catalytic, transcription and DNA-bindtag activities. The review focuses primarily on the role of PARP1 in transcriptional regulation; the structure and functional organization of PARP1, as well as multiple ways of regulation of chromatin remodeling, DNA methylation and transcription are covered in detail. Studies of the molecular mechanisms of regulation of transcription factor PARP1 can serve as a basis for search and design of new inhibitors.
Keywords: PARP1, Poly(ADP-ribosylation), transcription, chromatin. DOI: 10.7868/S0026898415010097
Принятые сокращения: ATM (Ataxia Telangiectasia Mutated) — протеинкиназа; CTCF (CCCTC-binding Factor) — транскрипционный белок-репрессор; DNMT1 (DNA-MethylTransferase 1) — ДНК-метилтрансфераза 1; FACT (FAcilitates Chromatin Transcription) — белковый фактор, облегчающий транскрипцию хроматина РНК-полимеразой 2; PARP ((Poly(ADP)-Ribose Polymerase)) — поли(ADP)-рибозополимеразa; PAR — полимеры ADP-рибозы; NAD (Nicotinamid Adenine Dinucleotide) — никотинамид-адениндинуклеотид (кофактор PARP1); ZF — домен "цинковые пальцы"; ДР — двуцепочечный разрыв ДНК; ВГВ — вирус гепатита В; ИПСК — индуцированные плюрипотентные стволовые клетки; a.o. — аминокислотный остаток.
* Эл. почта: mal_nat@mail.ru; "Vksily.Studitsky@fccc.edu
99
7*
ВВЕДЕНИЕ
Поли(АОР)-рибозилирование, одна из посттрансляционных модификаций ядерных белков, наблюдается в процессе ответа клетки на гено-токсический стресс [1]. В то же время функциональное значение поли(АЭР)-рибозилирования не ограничивается только репарационной активностью. Все больше данных свидетельствует о том, что эта реакция происходит и при других ключевых процессах, в том числе при регуляции клеточного цикла, репликации, при старении и гибели клетки, ремоделировании структуры хроматина, транскрипции генов и многих других [2, 3]. Поли(АЭР)-рибозилирование осуществляется при участии ферментов, известных как PARP (поли (ADP) -рибозополимеразы). Каталитический центр белков PARP-класса содержит высококонсервативную область, обогащенную остатками глутамата и необходимую для синтеза длинных и разветвленных полимеров ADP-рибозы [4]. Источником (ADP)-рибозы служит NAD+, который в процессе реакции расщепляется до никотина-мида и (ADP)-рибозы. Активность фермента PARP обнаружена у многих организмов, начиная от вирусов, архебактерий, бактерий и кончая млекопитающими. Единственным пока известным исключением являются дрожжи, не имеющие белков PARP-класса [5]. У млекопитающих идентифицировано 18 белков этого класса, выделяемых в специальную группу [6]. Все они отличаются друг от друга по доменной организации, по специфичности ковалентных модификаций, по клеточной локализации и биологическим функциям.
СТРУКТУРНО-ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ ФАКТОРА PARP1
Не считая гистонов, белок PARP1 является самым распространенным ядерным белком (1—2 млн. молекул на клетку). Именно он ответствен за продукцию примерно 90% PAR (полимеров (ADP)-рибозы) в клетке [7, 8]. PARP1 мышей и человека (мол. м. 116 кДа) имеет модульную структуру. Картирование показало, что ген, кодирующий этот фермент у человека, локализуется в области 1q41-q42 [9] хромосом. В настоящее время определена кристаллическая структура PARP1 с высоким разрешением (PDB: 4L6S (2.20 A); 4GV7 (2.89 А), 4HHY (2.36 А) и 4HHZ (2.72 А)). В этой структуре выделяют три крупных функциональных домена: N-концевой ДНК-связывающий домен, внутренний домен самомодификации и С-концевой каталитический домен [10, 11]; в этих функциональных доменах имеются и другие области (рис. 1).
N-концевой домен PARP1 содержит два меньших домена, представляющих собой так называемые "цинковые пальцы" (ZF), в которых имеется
характерная последовательность аминокислот — CX2CX28 30HX2C. Поскольку "пальцы" PARP1 необычайно длинны и предпочитают узнавать определенные структуры ДНК, а не последовательности нуклеотидов[12], эти домены уникальны и обозначаются как PARPl-подобные ZF [13— 15]. Изучена структура ZF с использованием методов NMR (PDB: ZF1 - 2dmj, ZF2 - 2cs2) и РСА (PDB: ZF1 - 3OD8 (разрешение 2.40 Ä), а также ZF2 - 3ODC (разрешение 2.80 Ä). Два ZF играют разные роли в узнавании разрывов ДНК и действуют кооперативно [16]), предложены модели узнавания [16-18]. Согласно одной из них, наиболее полно описывающей процесс активации PARP1 в районе разрывов [16], в отсутствие повреждений ДНК белок PARP1 связан с хроматином через слабые взаимодействия ZF1 с сахаро-фосфатным остовом. При разрыве ДНК дополнительно связывается ZF2 (известно, что аффинность ZF2 к поврежденной ДНК в 100 раз выше, чем у ZF1) [19]. ZF взаимодействуют с противоположными бороздками ДНК и образуют межмолекулярный ZF1-ZF2-комплекс. На каждом краю разрыва формируется димерный комплекс, что приводит к сближению двух молекул PARP1 и их кооперативному взаимодействию на месте повреждения ДНК. Такая пространственная близость облегчает доступ каталитического сайта одной молекулы к акцепторному сайту другой и позволяет осуществить процесс транс- и самомодификации и активации PARP1 [20-23].
Рядом с доменами ZF в молекуле PARP1 обнаружена последовательность сигнала ядерной локализации (NLS) в области 203-233 а.о. Этот сигнал включает в себя два основных мотива (KRK-X11-KKKSKK), они оба необходимы для накопления PARP1 в ядре [24]. Участок между этими двумя мотивами содержит сайт расщепления каспазой-3 (DEVD211-214). Во время апоптоза белок PARP1 расщепляется этим ферментом на два фрагмента: С-концевой (89 кДа) и N-концевой (25 кДа). С-концевой фрагмент сохраняет основную каталитическую активность PARP1, но не стимулируется повреждениями ДНК. Напротив, N-концевой фрагмент имеет ДНК-связывающую, но не каталитическую, активность [25]. Как полагают, расщепление PARP1 при апоптозе необходимо для того, чтобы предотвратить дальнейшее потребление NAD+ и, тем самым, сохранить энергию, необходимую для этого процесса. Кроме того, в данной области есть сайты для нескольких протеаз, включая плазмин, трипсин и гранзим А; вероятно, они могут участвовать в регуляции активности PARP1 путем расщепления этого белка.
ZF3, обнаруженный в области 250-350 а.о., отличается по структуре и функциям от ZF1 и ZF2 [26, 27]. Биохимические исследования показывают, что этот домен также вносит вклад в формиро-
Домен
ДНК-связывающий домен автомодификации
Каталитический домен
N
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.