ADP-ribosilasyon - ADP-ribosylation

ADP-riboz

ADP-ribosilasyon , bir proteine bir veya daha fazla ADP-riboz parçasının eklenmesidir . Hücre sinyali , DNA onarımı , gen regülasyonu ve apoptoz dahil olmak üzere birçok hücresel süreçte yer alan, tersine çevrilebilir bir çeviri sonrası modifikasyondur . Uygun olmayan ADP-ribosilasyonu, bazı kanser türlerinde rol oynamaktadır. Aynı zamanda kolera toksini , difteri toksini ve diğerleri gibi bakteriyel bileşiklerin toksisitesinin temelidir .

Tarih

ADP-ribosilasyonun ilk önerisi 1960'ların başında su yüzüne çıktı. Şu anda, Pierre Chambon ve iş arkadaşları , tavuk karaciğeri çekirdeği ekstresine ATP'nin dahil edilmesini gözlemlediler . Asitte çözünmeyen fraksiyon üzerine yapılan kapsamlı çalışmalardan sonra, birkaç farklı araştırma laboratuvarı , NAD + 'dan türetilen ADP-ribozu birleşik grup olarak tanımlayabildi . Birkaç yıl sonra, bu birleşmeden sorumlu enzimler tanımlandı ve poli(ADP-riboz)polimeraz adı verildi. Başlangıçta bu grubun, bir riboz glikosidik bağıyla kovalent olarak bağlanmış lineer bir ADP-riboz birimleri dizisi olduğu düşünülüyordu. Daha sonra dallanmanın her 20 ila 30 ADP kalıntısında bir meydana gelebileceği bildirildi.

Mono(ADP-ribosil)asyonun ilk görünümü, bir yıl sonra toksinler üzerinde yapılan bir çalışma sırasında meydana geldi: corynebacterium diphtheria diphtheria toksininin, tamamen etkili olabilmesi için NAD +'a bağımlı olduğu gösterildi ve bu , enzimatik konjugasyonun keşfedilmesine yol açtı. mono(ADP-ribosil)transferaz tarafından tek bir ADP-riboz grubu.

Başlangıçta ADP-ribosilasyonun, yalnızca gen düzenlemesinde yer alan translasyon sonrası bir modifikasyon olduğu düşünülüyordu . Bununla birlikte, ADP-ribosilasyon proteinleri yeteneğine sahip daha fazla enzim keşfedildikçe, ADP-ribosilasyonunun çok işlevli doğası ortaya çıktı. Poli(ADP-riboz)transferaz aktivitesine sahip ilk memeli enzimi 1980'lerin sonlarında keşfedildi. Önümüzdeki 15 yıl boyunca, memeli hücrelerinde bir ADP-riboz zinciri ekleyebilen tek enzim olduğu düşünülüyordu. 1980'lerin sonlarında, proteinlere siklik-ADP-riboz gruplarının eklenmesini katalize eden ADP-ribosil siklazlar keşfedildi. Son olarak, aynı zamanda NAD + -bağımlı deasilasyon aktivitesine sahip olan bir enzim ailesi olan sirtuinlerin de mono(ADP-ribosil)transferaz aktivitesine sahip oldukları keşfedilmiştir.

katalitik mekanizma

ADP-ribosilasyon mekanizması, mavi renkle gösterilen katalize edici enzim kalıntıları ile.

Bu modifikasyonu gerçekleştiren çoğu enzim için ADP-riboz kaynağı redoks kofaktörü NAD +' dır . Bu transfer reaksiyonunda, ADP-riboz molekülü ve nikotinamid grubu arasında köprü oluşturan NAD +' nın N- glikosidik bağı parçalanır, ardından hedef amino asit yan zinciri tarafından nükleofilik saldırı gerçekleşir . (ADP-ribosil)transferazlar iki tip modifikasyon gerçekleştirebilir: mono(ADP-ribosil)asyon ve poli(ADP-ribosil)asyon.

Mono(ADP-ribosil)asyon

Mono (ADP-ribozil) transferaz yaygın olarak eklenmesini katalize ADP-riboz için arginin enzimin yüksek derecede korunmuş RS EXE motifi kullanılarak yan zincirler. Reaksiyon, bir oksonyum iyonu oluşturmak için nikotinamid ve riboz arasındaki bağı kopararak ilerler . Ardından, hedef proteinin arginin yan zinciri, oksonyum iyonuna bitişik elektrofilik karbona saldıran bir nükleofil görevi görür. Bu adımın gerçekleşmesi için, arginin nükleofili, katalize edici enzim üzerindeki bir glutamat tortusu tarafından deprotone edilir . Bir başka korunmuş glutamat kalıntısı, bu nükleofilik saldırıyı daha da kolaylaştırmak için riboz zincirindeki hidroksil gruplarından biri ile bir hidrojen bağı oluşturur. Bölünme reaksiyonunun bir sonucu olarak, nikotinamid salınır. Modifikasyon, ADP-riboz ve modifiye edilmemiş proteini serbest bırakmak için arginin ve riboz arasındaki N- glikosidik bağı parçalayan (ADP-ribosil)hidrolazlar tarafından tersine çevrilebilir ; NAD + , ters reaksiyonla geri yüklenmez.

Poli(ADP-ribosil)asyon

Poli(ADP-riboz)polimerazlar (PARP'ler) çoğunlukla ökaryotlarda bulunur ve çoklu ADP-riboz moleküllerinin hedef proteinlere transferini katalize eder. Mono(ADP-ribosil)asyonda olduğu gibi, ADP-ribozun kaynağı NAD +' dır . PARP'ler , NAD + bağlanmasını ve mevcut poli(ADP-riboz) zincirinin ucunun hedef protein üzerinde konumlandırılmasını kolaylaştırmak için His-Tyr-Glu'nun katalitik bir üçlüsünü kullanır ; Glu , iki riboz molekülü arasında bir (1''→2') O- glikosidik bağın katalizi ve oluşumunu kolaylaştırır . Poli(ADP-riboz) zincirlerini tanıyan, onları hidrolize eden veya dallar oluşturan birkaç başka enzim vardır ; 800'den fazla protein, gevşek bir şekilde tanımlanmış poli(ADP-riboz) bağlama motifini içerecek şekilde açıklanmıştır; bu nedenle, hedef protein konformasyonunu ve yapısını değiştiren bu modifikasyona ek olarak, diğer proteinleri toplamak veya hedef proteinin düzenlenmesi için bir etiket olarak da kullanılabilir.

Amino asit özgüllüğü

Birçok farklı amino asit yan zinciri , ADP-riboz alıcıları olarak tanımlanmıştır. Kimyasal bir bakış açısından, bu modifikasyon protein glikosilasyonunu temsil eder : ADP-ribozun transferi, amino asit yan zincirleri üzerinde bir nükleofilik oksijen, nitrojen veya kükürt ile meydana gelir ve bunun ribozuna N- , O- veya S- glikosidik bağlantı ile sonuçlanır. ADP-riboz. Başlangıçta, asidik amino asitler ( glutamat ve aspartat ), ADP-ribosilasyonunun ana bölgeleri olarak tanımlandı. Bununla birlikte, serin , arginin , sistein , lizin , diftamid , fosfoserin ve asparagin gibi diğer birçok ADP-riboz alıcı bölgesi sonraki çalışmalarda tanımlanmıştır.

İşlev

apoptoz

DNA hasarı veya hücresel stres sırasında PARP'ler aktive olur, bu da poli(ADP-riboz) miktarında bir artışa ve NAD + miktarında bir azalmaya yol açar . On yıldan fazla bir süredir PARP1'in memeli hücrelerindeki tek poli(ADP-riboz)polimeraz olduğu düşünülmüştür, bu nedenle bu enzim en çok çalışılan enzim olmuştur. Kaspazlar , programlanmış hücre ölümünde önemli bir rol oynadığı bilinen bir sistein proteaz ailesidir . Bu proteaz, PARP-1'i iki parçaya bölerek, poli(ADP-riboz) üretimini sınırlamak için onu tamamen inaktif halde bırakır. Parçalarından biri çekirdekten sitoplazmaya göç eder ve otoimmünitenin hedefi olduğu düşünülür.

Kaspaz-bağımsız sırasında apoptoz olarak da adlandırılan parthanatos, poli (ADP-riboz) birikimi nedeniyle PARP'ların aktivasyonu ya da inaktivasyonu meydana gelebilir poli (ADP-riboz) glikohidrolaz bir enzimi olup hidrolize serbest ADP-üretmek için poli (ADP-riboz) riboz. Çalışmalar, poli(ADP-riboz)'un apoptozu indükleyen faktör proteininin DNA parçalanmasına aracılık edeceği çekirdeğe yer değiştirmesini sağladığını göstermiştir . Stres koşulları altında kaspaz aktivasyonunun başarısız olması durumunda nekroptozun gerçekleşeceği öne sürülmüştür. PARP'lerin aşırı aktivasyonu, tümör nekroz faktör proteini tarafından düzenlenen nekrotik hücre ölümüne yol açmıştır . Mekanizma henüz anlaşılmamış olsa da, PARP inhibitörlerinin nekroptozu etkilediği gösterilmiştir.

gen regülasyonu

ADP-ribosilasyon, kromatin organizasyonu, transkripsiyon faktörü alımı ve bağlanması ve mRNA işleme dahil olmak üzere hemen hemen her düzenleme seviyesinde gen ekspresyonunu etkileyebilir .

Nükleozomların organizasyonu, gen ekspresyonunun düzenlenmesinin anahtarıdır: nükleozomların aralığı ve organizasyonu, transkripsiyon makinelerinin DNA'yı bağlaması ve kopyalaması için DNA'nın hangi bölgelerinin mevcut olduğunu değiştirir. Bir poli-ADP riboz polimerazı olan PARP1'in , kromatin yapısını etkilediği ve histonların modifikasyonu yoluyla nükleozomların organizasyonundaki değişiklikleri desteklediği gösterilmiştir .

DNA'ya bağlı PARP1 çinko parmak bölgesinin kristal yapısı (mor). PDB: 4AV1

PARP'lerin transkripsiyon faktör yapısını etkilediği ve birçok transkripsiyon faktörünün DNA'da kompleksler oluşturmak ve transkripsiyonu ortaya çıkarmak için işe alınmasına neden olduğu gösterilmiştir . Mono(ADP-ribosil)transferazların ayrıca promotörlerde transkripsiyon faktörü bağlanmasını etkilediği gösterilmiştir. Örneğin, bir mono (ADP-ribosil)transferaz olan PARP14'ün, STAT transkripsiyon faktörü bağlanmasını etkilediği gösterilmiştir .

Diğer (ADP-ribosil)transferazların, mRNA'yı bağlayan proteinleri değiştirdiği ve bu gen transkriptinin susturulmasına neden olabileceği gösterilmiştir .

DNA onarımı

Poli(ADP-riboz)polimerazlar (PARP'ler), tek iplikli kopmaların yanı sıra çift iplikli kopmaların DNA onarımında işlev görebilir . Tek iplikli kopma onarımında ( baz eksizyon onarımı ) PARP, oksitlenmiş şekerin çıkarılmasını veya iplik bölünmesini kolaylaştırabilir. PARP1 , tek iplikli kopmaları bağlar ve yakındaki herhangi bir taban eksizyon onarım ara ürününü yakına çeker. Bu ara ürünler, XRCC1 ve APLF'yi içerir ve bunlar doğrudan veya APLF'nin PBZ alanı aracılığıyla alınabilir. Bu, poli(ADP-riboz) sentezine yol açar. PBZ alanı, DNA onarımında yer alan birçok proteinde bulunur ve PARP'ın bağlanmasına ve dolayısıyla onarım faktörlerini kırılma bölgesinde etkileşime sokmak için ADP-ribosilasyonuna izin verir. PARP2 , DNA hasarına ikincil bir yanıtlayıcıdır ancak DNA onarımında işlevsel fazlalık sağlamaya hizmet eder.

PARP1 onarım enzimlerinin işe alınmasıyla kolaylaştırılan DNA onarımı. PARP1'in bağlanmasıyla DNA'daki tek zincir kırılmasının onarımı başlatılır. PARP1, tek iplikli kopmaları bağlar ve baz eksizyon onarım ara ürünlerini yakına çekerek poli(ADP-riboz) sentezine yol açar. XRCC1, X-ışını onarımı çapraz tamamlayıcı protein 1'dir. XRCC1, DNA uçlarını işleyen polinükleotid kinaz (PNK) ile kompleksler. PCNA, DNA polimeraz aktivitesine (DNA pol) yardımcı olan bir DNA kelepçesi olarak görev yapan çoğalan hücre nükleer antijenidir. DNA onarımının son adımı, son DNA ipliklerini bir fosfodiester bağında bir araya getiren DNA ligazını içerir.

Hasarlı çift sarmallı DNA'nın onarımı için birçok mekanizma vardır. PARP1, homolog olmayan alternatif uç birleştirmede bir sinaps faktörü olarak işlev görebilir . Buna ek olarak, PARP1, DNA hasarını takiben yavaş replikasyon çatal için gerekli ve teşvik olduğu önerilmiştir homolog rekombinasyon ile çoğaltma çatal işlevsel olabilir. PARP1 ve PARP3'ün çift ​​sarmallı DNA'nın onarımında birlikte çalışması mümkündür ve PARP3'ün çift ​​sarmallı kopma çözünürlüğü için kritik olduğu gösterilmiştir. PARP1 ve PARP3'ün çakıştığı iki hipotez vardır. İlk hipotez, iki (ADP-ribosil)transferazın birbirlerinin hareketsizliği için işlev gördüğünü belirtir. PARP3'ün kaybolması, tek iplikli kopmalara ve dolayısıyla PARP1'in alınmasına neden olur. İkinci bir hipotez, iki enzimin birlikte çalıştığını ileri sürer; PARP3, mono(ADP-ribosil)asyonu ve kısa poli(ADP-ribosil)asyonu katalize eder ve PARP1'i aktive etmeye hizmet eder.

PARP'lerin DNA hasarı bölgesinde birçok protein hedefi vardır. KU proteini ve DNA-PKcs , bilinmeyen ADP-ribosilasyon bölgelerine sahip çift sarmallı kırılma onarım bileşenleridir. Histonlar , PARP'lerin başka bir protein hedefidir. Tüm çekirdek histonlar ve bağlayıcı histon H1, DNA hasarını takiben ADP-ribosillenir. Bu modifikasyonların işlevi hala bilinmemektedir, ancak ADP-ribosilasyonunun , onarım faktörlerinin DNA hasarına göç etmesi için daha erişilebilir bölgeleri kolaylaştırma çabalarında daha yüksek dereceli kromatin yapısını modüle ettiği öne sürülmüştür .

Protein bozulması

Ubiquitin-proteasome sistemi (UPS), protein bozulmasında belirgin bir şekilde yer alır. 26S proteazomu , bir katalitik alt birimden (20S çekirdek parçacık) ve bunların düzenleyici alt birimi (19S kapak) oluşur. Poli-ubikuitin zincirleri, etiketli proteinlerin daha küçük peptitlere hidrolizine neden olan proteazom tarafından parçalanmak üzere proteinleri etiketler.

Fizyolojik olarak, PI31, 26S Proteazomun 20S katalitik alanına saldırır ve bu, proteazom aktivitesinin azalmasına neden olur. (ADP-ribosil)transferaz Tankiraz (TNKS), PI31'in ADP-ribosilasyonuna neden olur ve bu da proteazom aktivitesini arttırır. TNK'lerin inhibisyonu ayrıca azaltılmış 26S Proteasom düzeneğini gösterir. Bu nedenle, ADP-ribosilasyon, hem Drosophila hem de insan hücrelerinde 26S Proteazom aktivitesini destekler .

Klinik önemi

Yengeç Burcu

PARP1, baz eksizyon onarımı (BER), tek ve çift sarmal kopma onarımı ve kromozomal stabilite ile ilgilidir. Ayrıca protein-protein etkileşimlerini kolaylaştırması yoluyla transkripsiyonel düzenlemede yer alır . PARP1, apoptozda işlevini yerine getirmek için NAD + kullanır . Bir PARP aşırı aktif hale gelirse, hücre, azalmış NAD + kofaktör seviyelerine ve ayrıca düşük ATP seviyelerine sahip olacak ve bu nedenle nekroz geçirecektir . Bu kanserojenezde önemlidir, çünkü kanser büyümesi sırasında hayatta kalma avantajları nedeniyle PARP1 eksikliği olan (fakat tükenmeyen) hücrelerin seçimine yol açabilir.

PARP1 eksikliği altında karsinojeneze yatkınlık, büyük ölçüde meydana gelen DNA hasarının tipine bağlıdır. Çeşitli PARP'lerin karsinojenezin önlenmesinde rol oynadığına dair birçok çıkarım vardır. Daha önce belirtildiği gibi, PARP1 ve PARP2, BER ve kromozomal stabilitede yer alır. PARP3, sentrozom düzenlemesinde yer alır. Tankiraz , telomer uzunluğu düzenlemesinde yer alan başka bir (ADP- ribosil )polimerazdır .

PARP1 inhibisyonu ayrıca antikanser terapötiklerinde geniş çapta çalışılmıştır. Bir PARP1 inhibitörünün etki mekanizması, BRCA1/2 eksikliği olan bireylerde PARP1'in onarıcı işlevine izin vermeyerek kanserli DNA üzerinde kemoterapinin verdiği hasarı arttırmaktır.

PARP14, kanser tedavisi hedefleri açısından iyi çalışılmış olan başka bir ADP-ribosilatlayıcı enzimdir; STAT6 transkripsiyon etkileşimli proteinin bir sinyal dönüştürücüsü ve aktivatörüdür ve B hücreli lenfomaların agresifliği ile ilişkili olduğu gösterilmiştir.

Bakteriyel toksinler

Bakteriyel ADP-ribosile edici eksotoksinler (bARE'ler) , nikotinamid ve bir serbest hidrojen iyonu vermek üzere, enfekte olmuş ökaryotların hedef proteinlerine NAD +' nın bir ADP-riboz parçasını kovalent olarak aktarır . BARE'ler, bir "A" ve "B" alanlarından oluşan enzim öncüleri olarak üretilir : "A" alanı, ADP-ribosilasyon aktivitesinden sorumludur; ve enzimin hücre zarı boyunca yer değiştirmesi için "B" alanı. Bu alanlar uyum içinde üç biçimde var olabilir: birincisi, A ve B alanları kovalent olarak bağlı olan tekli polipeptit zincirleri olarak; ikincisi, kovalent olmayan etkileşimlerle bağlanan A ve B alanları ile çoklu protein komplekslerinde; ve üçüncü olarak, işlemden önce A ve B alanları ile doğrudan etkileşime girmeyen çoklu protein komplekslerinde.

Difteri toksininin kristal yapısı. PDB: 1MDT

Aktivasyon üzerine, herhangi bir sayıda ökaryotik proteini ADP-ribosilat; bu mekanizma, ADP-ribosilasyonu ile bağlantılı hastalıklı durumların başlatılması için çok önemlidir. Özellikle GTP bağlayıcı proteinler , BARE'nin patofizyolojisinde iyi yerleşmişlerdir. Örneğin, kolera ve ısıya dayanıklı enterotoksin , heterotrimerik GTP bağlayıcı proteinlerin Gs'sinin a-alt birimini hedefler . α-alt birimi ADP-ribosilatlı olduğundan, kalıcı olarak "aktif", GTP'ye bağlı bir durumdadır; hücre içi siklik AMP'nin müteakip aktivasyonu, bağırsak epitel hücrelerinden sıvı ve iyonların salınmasını uyarır. Ayrıca, C. Botulinum C3 ADP-ribosilatlar GTP bağlayıcı proteinler Rho ve Ras ve Boğmaca toksini ADP-ribosilatlar Gi , Go ve Gt. Difteri toksini ADP-ribosilatlar , protein sentezini azaltan ribozomal uzama faktörü EF-2 .

Enfeksiyonun hangi istihdam BARES bakterilerin çeşitli vardır: bir KARTLARI toksin Mycoplasma pneumoniae , kolera toksin ve Vibrio cholerae ; ısıya duyarlı enterotoksin arasında , E. coli ; eksotoksin A ve Pseudomonas aeruginosa ; boğmaca toksini ve B. pertussis ; C3-toksini ve C. botulinum ; ve difteri toksini ve Corynebacterium diphtheriae .

Ayrıca bakınız

Referanslar