МОЛЕКУЛЯРНАЯ БИОЛОГИЯ, 2004, том 38, № 5, с. 834-847
= ДНК-БЕЛКОВЫЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ
УДК 577.213.3
ПОЛИ(ЛБР-РИБОЗО)ПОЛИМЕРАЗА-1 - РЕГУЛЯТОР БЕЛКОВО-НУКЛЕИНОВЫХ ВЗАИМОДЕЙСТВИЙ В ПРОЦЕССАХ, ВОЗНИКАЮЩИХ ПРИ ГЕНОТОКСИЧЕСКОМ ВОЗДЕЙСТВИИ
© 2004 г. М. В. Суханова, О. И. Лаврик, С. Н. Ходырева*
Институт химической биологии и фундаментальной медицины Сибирского отделения Российской академии наук, Новосибирск, 630090 Поступила в редакцию 12. 01. 2004 г.
Пoли(ADP-pибoзo)пoлимepaзa 1 (PARP-1) - ядерный белок высших эукариот, специфически распознающий разрывы в ДНК. Фермент активируется при наличии таких разрывов и осуществляет синтез пoли(ADP-pибoзы), ковалентно присоединенной к некоторым белкам, причем главным акцептором является сам PARP-1. Этот белок задействован в большинстве ДНК-зависимых процессов - в репликации, рекомбинации и репарации, в процессе гибели клеток (апоптозе и некрозе). Пoли(ADP-pибoзил)иpoвaниe белков рассматривается как механизм, обеспечивающий формирование внутриклеточного сигнала о повреждении ДНК и модулирование функций белков в ответ на ге-нотоксические воздействия. В обзоре главное внимание уделено роли PARP-1 и пoли(ADP-pибo-зил)ирования в эксцизионной репарации оснований - основном процессе, обеспечивающем репарацию разрывов в ДНК. Рассмотрены основные из предполагаемых функций PARP-1 в этом процессе, где он может выступать как фактор, инициирующий формирование комплекса белков эксцизионной репарации оснований; как временная защита концов ДНК; как фактор модулирования структуры хроматина за счет пoли(ADP-pибoзил)иpoвaния гистонов и как сигнал в механизме распознавания уровня повреждений ДНК в клетке.
Ключевые слова: пoли(ADP-pибoзo)пoлимepaзa-1, пoли(ADP-pибoзил)иpoвaниe белков, эксцизи-онная репарация оснований, белок-нуклеиновые взаимодействия.
POLY(ADP-RIBOSE) POLYMERASE-1 AS A REGULATOR OF PROTEIN-NUCLEIC ACID INTERACTIONS IN THE PROCESSES RESPONDING TO GENOTOXIC ACTION, by M. V. Sukhanova, O. I. Lavrik, S. N. Khodyreva (Institute of Chemical Biology and Fundamental Medicine, Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences, Novosibirsk, 630090; *E-mail: svetakh@niboch.nsc.ru). Poly(ADP-ribose) poly-merase-1 (PARP-1), nuclear protein of higher eukaryotes, specifically detects strand breaks in DNA. When bound to DNA strand breaks, PARP-1 is activated and catalyzes synthesis of poly(ADP-ribose) covalently attached to the row of nuclear proteins, with the main acceptor being PARP-1 itself. This protein participates in a majority of DNA dependent processes: repair, recombination; replication: cell death: apoptosis and necrosis. Poly(ADP-ribosyl)ation of proteins is considered as mechanism, which signals about DNA damage and modulate protein functioning in response to genotoxic impact. The main emphasis is made on the roles of PARP-1 and poly(ADP-ribosyl)ation in base excision repair (BER), the process, which provides repair of DNA breaks. The main proposed functions of PARP-1 in this process are: factor initiating assemblage of protein complex of BER; temporary protection of DNA ends; modulation of chromatin structure via poly(ADP-ribosyl)ation of hi-stones; signaling function in detection of the levels of DNA damage in cell.
Сохранение целостности генома клетки жизненно важно для организма. Повреждения в ДНК могут приводить к изменению кодирующей по-
Принятые сокращения: PARP-1 - nonH(ADP-pH6o3o)nonH-мераза-1; ЭРО - эксцизионная репарация оснований; ЭРН - эксцизионная репарация нуклеотидов; APE1 - апури-новая/апиримидиновая эндонуклеаза 1; FEN-1 - флэп-эндо-нуклеаза-1; polß - ДНК-полимераза ß; DBD - ДНК-связыва-ющий домен; DMS - диметилсульфат; MNNG - N-метил-К-нитро^-нитрозогуанидин; MNU - метил^-нитрозомочеви-на; MMS - метилметансульфонат; Ade - аденин; Nic - нико-тинамид.
Эл. почта: svetakh@niboch.nsc.ru
следовательности генов и формированию мутагенного генотипа. В эукариотической клетке имеется двойной контроль, предотвращающий развитие мутагенного фенотипа. Это системы, обеспечивающие репарацию ДНК или индуцирующие гибель мутагенного генотипа в случае многочисленных повреждений ДНК (апоптоз, некроз) [1]. Нарушения в репарационных процессах приводят к накоплению повреждений в ДНК, а в случае сбоев в системе, контролирующей и запускающей апоптоз, может происходить формирование жизнеспособного мутагенного генотипа. Повреждения такого рода уже не исправляются и
Ллкилирующие агенты
Спонтанные реакции; активные формы кислорода (свободные радикалы);
Ллкилирующие агенты; Ультрафиолетовое излучения;
рентгеновские излучения мутагены окружающей среды Рентгеновские излучения
Об-meG
Апуриновые/апиримидиновые сайты; окисление; дезаминирование; алкилирование оснований; одноцепочные разрывы
Пиримидиновые димеры; аддукты с объемными заместителями
Двухцепочные разрывы в ДНК
Прямая репарация
Эксцизионная репарация оснований (ЭРО)
Эксцизионная репарация нуклеотидов (ЭРН)
Гомолочная и негомолочная рекомбинация в прцессе соединения концов
Рис. 1. Наиболее распространенные агенты, вызывающие повреждения ДНК, типы повреждений и пути репарации ДНК [3].
воспроизводятся в процессе репликации, в геноме накапливаются мутации, что может приводить к трансформации клетки в раковую. Нестабильность клеточного генома обусловлена тем, что ДНК постоянно подвергается воздействию гено-токсических агентов экзогенного и эндогенного происхождения [2]. Ориентировочная оценка числа повреждений ДНК, возникающих в отдельной клетке человека, дает величину 104-106 событий в сутки [3].
Считают, что в клетках эукариот существует пять основных способов восстановления целостности структуры ДНК: прямая репарация; гомологичная рекомбинационная репарация хромосом; негомологичная рекомбинация в процессе соединения концов хромосом; эксцизионная репарация нуклеотидов и эксцизионная репарация оснований. [4]. Следует отметить, что каждый путь репарации ДНК специализирован на исправлении определенных типов повреждений. На рис. 1 представлены наиболее распространенные агенты, оказывающие генотоксическое воздействие, вызываемые ими повреждения и способы их репарации [3]. Такой многоступенчатый контроль за сохранением генома, тем не менее, не исключает появления мутаций. Баланс между целостностью генома, с одной стороны, и закрепившимися мутациями, необходимыми для адаптации организмов к окружа-
ющей среде, - с другой, поддерживается эффективностью систем репарации.
Одной из немедленных реакций клетки на образование разрывов в ДНК является посттрансляционная модификация ядерных белков с помощью поли(АБР-рибозы). Эта модификация осуществляется ядерным белком PARP-1 с использованием NAD+ в качестве источника остатков ADP [5]. При генотоксическом воздействии на клетку в ней образуется поли(ADP-рибо-за), и этот факт стимулировал изучение функции PARP-1 в ответных реакциях клетки. Исследования in vivo и in vitro дают основания предполагать, что PARP-1 вовлечена в репарацию ДНК, а при массированном повреждении ДНК - в инициацию ряда процессов, таких как остановка клеточного цикла, апоптоз и некроз [б].
Поли(ADP-рибозил)ирование белков катализируется несколькими поли(ADP-рибозо)полиме-разами, которые постоянно и в значительном количестве синтезируются в клетке [7]. Все они используют в качестве субстрата NAD+ и переносят ADP-рибозу на остатки глутамата в составе белков [5]. К настоящему времени в клетках эукариот найдены следующие ферменты: pArP-1, PARP-2, PARP-3, локализующиеся в ядре; танки-разы 1 и 2, которые взаимодействуют с теломер-ными белками и, вероятно, участвуют в регуляции функций теломер; VPARP, белок с молеку-
лярной массой 193 кДа, обнаруженный в составе клеточной органеллы, которая, по-видимому, осуществляет транспорт из ядра в цитоплазму [5, 8]; укороченная форма PARP (sPARP). Последний фермент локализован в ядре, но его активность не зависит от наличия разрывов в ДНК [9]. Из ферментов, осуществляющих поли(ADP-рибо-зил)ирование, PARP-1 является основным. Его содержание в эукариотических клетках довольно высоко - от 0.2 до 2 миллионов молекул на клетку, и именно он ответствен за синтез 90% по-ли(ADP-рибозы) в клетке [10-12].
PARP-1 млекопитающих состоят из одной полипептидной цепи. Анализ аминокислотной последовательности показал, что степень консервативности фермента у различных видов позвоночных достаточно высока - около 62% [13]. PARP-1 человека - белок с молекулярной массой 113 кДа. В продуктах ограниченного протеолиза этого белка папаином и а-химотрипсином определили три структурно-функциональных домена: N-кон-цевой ДНК-связывающий DBD (42 кДа), содержащий сайт автомодификации (22 кДа), и С-кон-цевой, каталитический домен (54 кДа) [14-16]. В состав ДНК-связывающего домена входит два структурных элемента, так называемые "цинковые пальцы" FI и FII, первый из которых взаимодействует с двух-, а второй - с одноцепочечными разрывами в ДНК, а также два структурных мотива типа "спираль-поворот-спираль". Предполагается, что эти последовательности ответственны за распознавание нарушений в структуре ДНК [17-19]. Кроме того, в N-концевом домене находится специфическая последовательность - "сигнал ядерной локализации" (NLS), в которой содержится сайт протеолитического расщепления PARP-1 клеточными каспазами в процессе апоп-тоза [20]. Центральный домен включает в себя BRCT-мотив, который участвует в формировании белок-белковых контактов [21], и сайт автомодификации, содержащий 15 остатков глутамата, потенциальных акцепторов поли(ADP-рибозы) [19, 22]. В С-концевом домене расположены нуклео-тид-связывающий и активный центры фермента. Именно каталитический домен высоко консервативен у различных видов в процессе эволюции [23].
РЕАКЦИИ, КАТАЛИЗИРУЕМЫЕ PARP-1
Сродство PARP-1 к неповрежденной ДНК достаточно велико, но ферментативная активность проявляется только при наличии в ДНК одно- и двухцепочечных разрывов [17, 24]. Сейчас известно примерно 30 ядерных белков, участвующих в ДНК-зависимых процессах (репликация, транскрипция, репарация) и задействованных в формировании структуры хроматина (гистоны), которые подвергаютс
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.