МОЛЕКУЛЯРНАЯ БИОЛОГИЯ, 2007, том 41, № 3, с. 450-466
К 40-ЛЕТИЮ ЖУРНАЛА "МОЛЕКУЛЯРНАЯ БИОЛОГИЯ" ХРОМАТИН. ХРОМОСОМЫ. ТРАНСКРИПЦИЯ ==
УДК 577.151.62
ПОЛИФУНКЦИОНАЛЬНАЯ АПУРИНОВАЯ/АПИРИМИДИНОВАЯ ЭНДОНУКЛЕАЗА 1 ЧЕЛОВЕКА:
РОЛЬ ДОПОЛНИТЕЛЬНЫХ ФУНКЦИЙ
© 2007 г. Н. С. Дырхеева1' 2, С. Н. Ходырева1, О. И. Лаврик1*
1Институт химической биологии и фундаментальной медицины Сибирского отделения Российской академии
наук, Новосибирск, 630090 2Новосибирский государственный университет, Новосибирск, 630090 Поступила в редакцию 21.07.2006 г. Принята к печати 22.09.2006 г.
Апуриновая/апиримидиновая (АР) эндонуклеаза 1 человека (АРЕ1) - полифункциональный фермент, являющийся одним из участников системы эксцизионной репарации оснований (ЭРО) ДНК. АРЕ1 осуществляет эндонуклеазное расщепление ДНК с 5'-стороны от АР-сайта, в результате чего образуется одноцепочечный разрыв c 3'-ОН группой и 5'-дезоксирибозофосфатом. АРЕ1 также обладает З'-фосфодиэстеразной, 3'-5'-экзонуклеазной и З'-фосфатазной активностями. Независимо от репаративной функции, АРЕ1 была идентифицирована как окислительно-восстановительный фактор (Ref-1). В обзоре приведен анализ литературных и собственных данных о роли дополнительных функций АРЕ1 в процессах репарации ДНК и апоптоза, а также о регуляции системы ЭРО с помощью АРЕ1 путем взаимодействия этого фермента с ДНК и другими белками - участниками репарации.
Ключевые слова: апуриновая/апиримидиновая эндонуклеаза 1 человека, эксцизионная репарация оснований, белок-нуклеиновые взаимодействия, белок-белковые взаимодействия.
MULTIFUNCTIONAL HUMAN APURINIC/APYRIMIDINIC ENDONUCLEASE 1: THE ROLE OF ADDITIONAL FUNCTIONS, by N. S. Dyrkheeva12, S. N. Khodyreva1, O. I. Lavrik1* (institute of Chemical Biology and Fundamental Medicine, Siberian Division, Russian Academy of Sciences, Novosibirsk, 630090 Russia, *e-mail: lavrik@niboch.nsc.ru; 2Novosibirsk State University, Novosibirsk, 630090 Russia). Human apurinic/apyrimidinic (АР) endonuclease 1 (APE1) is multifunctional enzyme. APE1 is involved in the DNA base excision repair process (BER). APE1 participates in BER by cleaving the DNA adjacent to the 5' side of an AP site to produce a hydroxyl group at the 3' terminus of an unmodified nucleotide upstream of the nick and a 5' deoxyribose phosphate moiety downstream. In addition to its АР-endonucleolytic function, APE1 possesses 3' phosphodiesterase, 3'-5' exonuclease and 3' phosphatase activities. Independently of being characterized as DNA repair protein, APE1 was identified as redox-factor (Ref-1). Our own and literature data on the role of APE1 additional functions in cell metabolism and on interactions of APE1 with DNA and other proteins that participate in BER are analyzed in this review.
Key words: Human apurinic/apyrimidinic endonuclease 1, base excision repair, protein-DNA interactions, protein-protein interactions.
ВВЕДЕНИЕ
Апуриновые/апиримидиновые (АР) эндонукле-азы - важнейшие ферменты репарации ДНК,
Принятые сокращения: АР - апуриновые/апиримидиновые; APE1 - апуриновая/апиримидиновая эндонуклеаза 1; АР-сайт - апуриновый/апиримидиновый сайт; АР-ДНК -ДНК, содержащая АР-сайт; FEN-1 - флэпэндонуклеаза 1; в-полимераза - ДНК-полимераза в; dRp - дезоксирибозо-фосфат; PKC - протеинкиназа С; PARP1 - поли(ADP-рибо-за)-полимераза-1; тетрагидрофуран, или THF - З'-гидрок-си-2'-гидроксиметил-тетрагидрофуран; pTHF - 5'-тетрагид-рофуранофосфат; ИРН - инцизионная репарация нуклео-тидов; ПТГ - паратиреоидный гормон; OGG1 - 8-оксогуанин-ДНК-гликозилаза; ЭРО - эксцизионная репарация оснований.
*Эл. почта: lavrik@niboch.nsc.ru
инициирующие удаление АР-сайтов. АР-сайты возникают в ДНК путем спонтанного гидролиза ^гликозидной связи и при удалении поврежденного основания ДНК-гликозилазами. По оценочным данным в клетках млекопитающих образуется порядка 10000 АР-сайтов в сутки, преимущественно за счет апуринизации [1]. Таким образом, репарация АР-сайтов является глобальным механизмом сохранения стабильности генома. Многие АР-эндонуклеазы, в том числе и основная АР-эн-донуклеаза человека (АРЕ1) [1], помимо эндо-нуклеазного расщепления ДНК вблизи АР-сайтов, обладают дополнительными активностями. Очевидно, совокупное рассмотрение свойств та-
ПОЛИФУНКЦИОНАЛЬНАЯ АПУРИНОВАЯ/АПИРИМИДИНОВАЯ ЭНДОНУКЛЕАЗА ATG Стоп
ген APE1lRef-1 3 т.п.н., 14 хромосома
NH2
Ок./восст.
АР-эндонуклеаза
COOH
белок APE1/Ref-1 36.5 кДа
Г\ I
1 Cys-65 Asp-90 Glu-96 Asp-219 Asp-308 318
' j \М/
Ок./восст. Связывание ДНК/АР-эндонуклеазная активность функция
Рис. 1. Организация гена апуриновой (апиримидиновой) эндонуклеазы 1/окислительно-восстановительного фактора (APE1/Ref-1) человека [3]. □ - интроны, И - кодирующие экзоны, ■ - нетранслируемые экзоны.
ких полифункциональных ферментов представляет значительный интерес для понимания их роли как в процессе репарации ДНК, так и в других ключевых процессах, которые могут быть сопряжены с репарацией. В настоящем обзоре основное внимание уделено роли дополнительных функций APE1 в процессах жизнедеятельности клетки, а также взаимодействий этого фермента с ДНК и другими белками-участниками системы эксцизионной репарации оснований (ЭРО).
ОБЩИЕ СВОЙСТВА APE1 ЧЕЛОВЕКА
Основная АР-эндонуклеаза человека - полифункциональный фермент. APE1 участвует в ЭРО ДНК - в процессе, исправляющем ДНК с поврежденными азотистыми основаниями и спонтанно возникающими АР-сайтами. АРЕ1 осуществляет эндонуклеазное расщепление ДНК с 5'-стороны от АР-сайта с формированием одноцепочечного разрыва и образованием 3'-ОН-группы и 5'-дезок-сирибозофосфата (dRp) [1]. Помимо эндонукле-азной активности АРЕ1 также обладает 3'-фос-фодиэстеразной, 3'-фосфатазной и 3'-5'-экзо-нуклеазной активностями [2]. Кроме того, оказалось, что данный фермент представляет собой окислительно-восстановительный фактор (Ref-1). Эта функция АРЕ1 проявляется независимо от участия в репарации ДНК [1-3].
АРЕ1 принадлежит к большому семейству нуклеаз [1, 4], родственных ExoIII Escherichia coli [1, 5]. АР-эндонуклеазы, расщепляющие ДНК с 5'-стороны от АР-сайта, делятся на два семейства в зависимости от их сходства по последовательности аминокислот с экзонуклеазой III (ExoIII или Xth) или эндонуклеазой IV (EndoIV или Nfo) E. coli [1]. ExoIII была впервые идентифицирована как 3'-5'-экзонуклеаза, расщепляющая двуцепочеч-ную ДНК [6]; позже было установлено, что ферменты семейства ExoIII обладают несколькими ферментативными активностями.
Ферменты, входящие в семейство родственных ЕхоШ, - небольшие мономерные белки, с молекулярной массой 30-40 кДа, для проявления каталитической активности которых необходимы ионы двухвалентных металлов. Расчетная молекулярная масса АРЕ1 - 35.5 кДа, кажущая элек-трофоретическая подвижность фермента соответствует белку с молекулярной массой около 37 кДа [3, 5, 7]. Данный белок кодируется геном длиной ~3000 п.н., находящимся в 14-ой хромосоме и состоящим из четырех интронов и пяти экзо-нов (рис. 1). Смысловая часть длиной 954 н. кодирует 318 аминокислот [3].
Данные кристаллографического анализа показали, что АРЕ1 состоит из глобулярного плотно упакованного нуклеазного домена и гибкой ^концевой части. По данным ферментативного протеолиза установлено, что С-концевой домен ответствен за взаимодействие с ДНК и АР-эндо-нуклеазную активность белка [3]. Нуклеазный домен гомологичен по структуре не только ЕхоШ, но и эндонуклеазе - ДНКазе I [1]. Молекула АРЕ1 представляет собой четырехслойную а,в-"сэнд-вич-структуру", характерную для нуклеаз. Консервативные аминокислоты, необходимые для нуклеазной активности, расположены в активном центре и в центре связывания двухвалентного иона металла [8].
^концевой домен (примерно 6 кДа) отвечает за окислительно-восстановительную функцию АРЕ1 ^еМ), не зависимую от репаративных функций этого фермента. Существенную роль в проявлении этой активности играет аминокислотный остаток Cys65 в восстановленной форме. В окисленной форме Cys65 предположительно образует дисульфидный мостик с Cys93 [2, 3]. Методом сайт-направленного мутагенеза было показано, что замена остатка Cys65 на аланин не отражается на эффективности ДНК-связывающей, эндонуклеазной и экзонуклеазной активностей АРЕ1 [9].
СИНТЕЗ АРЕ1 В КЛЕТКЕ.
АРЕ1 КАК ОКИСЛИТЕЛЬНО-ВОССТАНОВИТЕЛЬНЫЙ ФАКТОР феМ)
В клетках человека АРЕ1 синтезируется в большом количестве. В зависимости от типа клеток, АРЕ1 локализуется преимущественно в ядре [3, 7, 10] или в цитоплазме [3]. Было показано [11], что инактивация гена АРЕ1 на ранних стадиях эмбриогенеза летальна для мышей. В культуре клеток человека АРЕ1 также необходим для обеспечения их жизнеспособности [12, 13]. В экстракте клеток HeLa активность АРЕ1 составляет >95% от суммарной активности по расщеплению АР-сайтов [1]. Вторая АР-эндонуклеаза человека (АРЕ2) также принадлежит к семейству ЕхоШ, но уровень ее эндонуклеазной активности существенно ниже, чем у АРЕ1 [1].
Уровень экспрессии гена, кодирующего АРЕ1, повышается при окислительном стрессе. Таким образом, этот фермент, очевидно, является участником системы клеточного ответа на воздействие некоторых типов генотоксических агентов. В то же время, не всегда ясно, чем обусловлено такое участие - репаративной функцией АРЕ1 или активностью фермента как регулятора транскрипции [3].
Как окислительно-восстановительный фактор ^еМ), АРЕ1 выступает в роли регулятора экспрессии генов, активируя факторы транскрипции, такие как ядерный фактор №-кВ, Jun и Fos [3, 14, 15]. АРЕ1/Ке-1 повышает способность белка р53 связываться с ДНК и активировать транскрипцию целевых промоторов р53, а также участвует в регуляции проапоптотических функций белка р53 [3].
Высказана гипотеза о том, что окислительно-восстановительная функция АРЕ1/ЯеМ регулируется протеинкиназой С (РКС), осуществляющей фосфорилирование сайтов, расположенных в обоих функциональных доменах белка [16]. Клетки лейкоза человека на совокупное действие окислительного агента (гипохлорита) и метилметан-сульфоната отвечают повышением активности РКС с соответствующим повышением уровня фосфорилирования АРЕ1/ЯеМ. Это приводит, в с
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.