Кіріспе
Белоктар отбасы
Поли (АДФ-рибоза) полимераза (ПАРП) – ДНК жөндеу, геномдық тұрақтылық және бағдарламаланған жасуша өлімі сияқты жасушалық процестерге қатысатын белоктар отбасы.
PARP отбасының мүшелері
PARP отбасында 17 мүше бар (10 болжамды). Олар жасуша ішінде құрылымы мен функциясы бойынша үлкен айырмашылықтарға ие. PARP1, PARP2, VPARP (PARP4), танкираза 1 және 2 (PARP 5a немесе TNKS, және PARP 5b немесе TNKS2) PARP активтілігі расталған. Басқаларына: PARP3, TIPARP (немесе "PARP7"), PARP8, PARP10, PARP12 және PARP16 кіреді.
Құрылымы
PARP қызығушылық тудыратын төрт доменнен тұрады: ДНК-ны байланыстыратын домен, каспазамен кесілетін домен (төменде қараңыз), өзін-өзі модификациялайтын домен және каталитикалық домен. ДНК-ны байланыстыратын домен екі мырыш саусақ мотивінен құралған. Зақымдалған ДНК (негіз жұбы кесілген) болғанда, ДНК-ны байланыстыратын домен ДНК-ға байланысып, конформациялық өзгеріске әкеледі. Бұл байланыс қалған домендерге тәуелсіз жүреді. Бұл, каспазамен кесілуін тежеуге негізделген программаланған жасуша өлімі моделінің маңызды бөлігі болып табылады. Өзін-өзі модификациялайтын домен катализден кейін ақуызды ДНК-дан босатуға жауапты. Сондай-ақ, ол кесілу арқылы инактивациялану процесінде маңызды рөл атқарады.
Функциялар
PARP-тың (клеткалық ядрода кездесетін) негізгі рөлі – метаболикалық, химиялық немесе радиациялық әсерден туындаған бір таспалы ДНК үзілімдерін (SSB) анықтау және ферменттік механизмге сигнал беру арқылы жасушалық жауапты дереу бастау. PARP SSB-ны анықтағаннан кейін ДНК-ға байланысып, құрылымдық өзгеріске ұшырайды және басқа ДНК жөндеу ферменттері үшін сигнал ретінде қызмет ететін полимерлі аденозиндифосфат рибоза (поли(ADP-рибоза) немесе PAR) тізбегінің синтезін бастайды. Мақсатты ферменттерге ДНК лигаза III (LigIII), ДНК полимераза бета (polβ) және рентгендік сәулеленуге қарсы толықтыратын ген 1 (XRCC1) сияқты қаңқалық ақуыздар жатады. Жөнделгеннен кейін PAR тізбектері Poly(ADP-рибоза) гликогидролаза (PARG) арқылы ыдырайды. ADP-рибоза мономерлерін жасау үшін NAD+ субстрат ретінде қажет. PARP-тың жоғары белсенділігі жасушалық NAD+ қорын азайтып, глюкоза тотығуына кедергі келтіріп, АТФ-тың прогрессивті азаюына және некроздық жасушалардың өліміне әкелуі мүмкін деп есептелген. Бірақ соңғы кезде гексокиназа белсенділігін тежеу гликолиздегі бұзылыстарға алып келеді деген пікір айтылды (Андраби, PNAS 2014). Базалық PARP белсенділігі базалық биоэнергетиканы да реттейді. Ескеріңіз, PARP бағдарламаланған жасушалардың өлімі кезінде каспаза-3-тің ыдырауы арқылы инактивацияланады. PARP ферменттері көптеген жасушалық функцияларда, соның ішінде қабыну гендерінің экспрессиясында маңызды рөл атқарады: PARP1 жүрек миоциттері мен тегіс бұлшық ет жасушаларының ICAM 1 генінің экспрессиясын TNF-қа жауап ретінде индукциялау үшін қажет.
Белсенділік
Каталитикалық домен Поли (АДФ-рибоза) полимерленуіне жауапты. Бұл доменнің PARP отбасының барлық мүшелеріне ортақ, жоғары сақталған мотиві бар. PAR полимері апоптоз процестерін іске қосар алдында 200 нуклеотидке дейін жете алады. PAR полимерінің қалыптасуы нуклеозид трифосфаттарынан ДНК полимерінің қалыптасуына ұқсас. ДНК-ның қалыпты синтезі үшін пирофосфаттың шығарылатын топ ретінде әрекет етуі қажет, дезоксирибоза қантын байланыстыратын жалғыз фосфат тобы қалады. PAR синтезінде никотинамид (NAM) шығарылатын топ ретінде қолданылады. Бұл рибоза қанттары арасындағы байланыс ретінде пирофосфатты қалдырады, жалғыз фосфат топтары емес. Бұл PAR көпіріне ерекше көлем береді, ол жасуша сигналдауында қосымша рөл атқара алады.
ДНҚ-ның бұзылуының қалпына келуіндегі рөлі
PARP-тың маңызды функцияларының бірі – ДНК-ның бір тізбекті үзілістерін жөндеуге көмектесу. Ол N-терминалды мырыш саусақтары арқылы бір тізбекті үзілістері бар жерлерге байланысады және XRCC1, ДНК лигаза III, ДНК полимераза бета және киназаны сол жерге тартады. Бұл процеске базалық экзизия жөндеуі (BER) деп аталады. PARP 2, PARP 1-мен олигомерленеді және осылайша BER-ге де қатысады. Олигомеризация PARP-тың каталитикалық активтілігін күшейтетіні де көрсетілген. PARP 1 хроматин құрылымын өзгерту арқылы, гистондарды PARилідеу және хроматин құрылымын босаңсыту арқылы транскрипция процесінде де маңызды рөл атқарады, бұл транскрипциялық кешенге гендерге қол жеткізуге мүмкіндік береді. PARP 1 және PARP 2 ДНК-ның бір тізбекті үзілуінен белсендіріледі, ал PARP 1 және PARP 2 гендері жойылған тышқандарда ДНК жөндеуде елеулі жетіспеушіліктер байқалады және алкилдеуші заттарға немесе иондаушы сәулелерге төзімділік төмендейді.
PARP белсенділігі мен өмір сүру мерзімі
PARP белсенділігі (негізінен PARP1-ге байланысты) егеуқырлардың он үш түрінің (тышқан, қарышқыр, қоян, мармосет, қой, шошқа, ірі қара мал, пигмей шимпанзе, жылқы, есек, горилла, піл және адам) гемолизге ұшыраған мононуклеарлық лейкоциттерінде өлшенді, бұл түрдің максималды өмір сүру ұзақтығымен байланысты. Ең ұзақ өмір сүрген (адам) және ең қысқа өмір сүрген (тышқан) түрлер арасындағы белсенділік айырмашылығы 5 есе болды. Екі ферменттің фермент кинетикасы (біртұтас жылдамдық тұрақтысы (kcat), Km және kcat/km) айтарлықтай ерекшеленбесе де, адам PARP 1-нің тышқан ферментіне қарағанда екі есе жоғары өзіндік модификациялау қабілеті бар екені анықталды, авторлар бұл адамдарда тышқандарға қарағанда PARP белсенділігінің жоғары болуына ықпал етуі мүмкін деп болжайды. Жүз жасқа толған (немесе одан асып кеткен) адамдардың қан үлгілерінен алынған лимфобластоидты жасуша желілерінің PARP белсенділігі, 20-дан 70 жасқа дейінгі жас адамдардың жасуша желілеріне қарағанда айтарлықтай жоғары болды, бұл ұзақ өмір сүру мен жаңару қабілеті арасындағы байланысты көрсетеді. Бұл нәтижелер PARP-тің ДНК-ны жөндеу қабілеті егеуқырлардың ұзақ өмір сүруіне үлес қосатынын көрсетеді. Осылайша, бұл зерттеулер ДНК зақымдану теориясын қолдайды, ол зақымдалған ДНК-ның жөнделмеуінің қартаюдың түпкі себебі екенін және ДНК-ны жөндеу қабілеті ұзақ өмір сүруге ықпал ететінін болжайды.
Танкиразалардың рөлі
Танкиразалар (ТНК) – анкирин қайталауларынан, олигомеризациялық доменнен (SAM) және PARP каталитикалық доменнен (PCD) тұратын PARP. Танкиразалар PARP 5a және PARP 5b деп те аталады. Олар теломермен байланысты TERF1 ақуыздарымен және анкирин қайталауларымен өзара әрекеттесуі себепті осылай аталған. Олар теломерлерді сақтау үшін хромосома шеттерінен теломеразаны тежеуші кешендерді жоюға мүмкіндік береді. SAM домендері мен ANK арқылы олар олигомерленіп, TRF1, TAB182 (TNKS1BP1), GRB14, IRAP, NuMa, EBNA 1 және Mcl 1 сияқты көптеген басқа ақуыздармен өзара әрекеттесе алады. Олардың жасушадағы бірнеше рөлі бар, мысалы, ГЛУТ4 көпіршіктерінде инсулинге жауап беретін аминопептидазамен (IRAP) өзара әрекеттесу арқылы көпіршіктердің тасымалы. Сонымен қатар, ядролық митоздық аппараттың 1 протеинімен (NuMa) өзара әрекеттесу арқылы митоздық шпиндельдің құралуына қатысады, осылайша қажетті биполярлық бағытқа мүмкіндік береді. ТНК болмаған жағдайда, митоз Mad2 шпиндельдік бақылау нүктесі арқылы профаза кезеңінде тоқтатылады. ТНК сондай-ақ Mcl 1L және Mcl 1S-ті PARsylate-тей алады және олардың про- және антиапоптотикалық функциясын тежейді; мұның маңызы әлі белгісіз.
Жасуша өлімінің әсері
PARP стресске ұшыраған және/немесе ДНК зақымдалған жасушаларда белсендірілуі мүмкін. Белсенді PARP зақымдалған ДНК-ны жөндеуге тырысып, жасушаның АТФ-ын азайтуы мүмкін. Жасушадағы АТФ азаюы лизиске және жасуша өліміне (некрозға) алып келеді. PARP сондай-ақ PAR өндірісі арқылы бағдарламаланған жасуша өлімін тудыруға қабілетті, бұл митохондрияларды AIF-ті босатуға ынталандырады. Бұл механизм каспазаға тәуелсіз болып көрінеді. Каспазалар немесе катепсиндер сияқты ферменттермен PARP-тің кесілуі, әдетте оның белсенділігін жояды. Кесілген фрагменттердің мөлшері қай фермент кесілуге жауапты екенін анықтауға көмектеседі және қандай жасуша өлімі жолының іске қосылғанын анықтауға пайдалы болуы мүмкін.
Эпигенетикалық ДНҚ-ның өзгеруіндегі рөлі
CCCTC байланысу факторы (CTCF) PAR жинақталуын тудырады. Ерік немесе PARP1-мен байланысқан ADP рибоза полимерлері CpG сайттарында ДНК метилтрансфераза активтілігін тежеуге қабілетті. Осылайша, CTCF поли(АДФ-рибозилдеу) мен ДНК метилирлеу арасындағы өзара әрекеттесуге қатысады, бұл маңызды эпигенетикалық реттеуші фактор. Тағы бір маңызды деректер PARP-тың онкологиялық емес жағдайлардағы рөліне қатысты. Бірқатар ауыр, жедел ауруларда (мысалы, инсульт, нейротравма, қан айналымының тоқтауы және жедел миокард инфарктісі) PARP ингибиторлары терапиялық пайда әкеледі (мысалы, инфаркт мөлшерін азайту немесе орган функциясын жақсарту). Адам тіндерінің сынамаларында PARP белсенділігін көрсететін байқау деректері де бар. Бұл аурулардағы PARP-тың окислик және нитративтік стрестен туындаған артық белсенділігі жасушалардың некрозына және қабынуға қарсы гендердің экспрессиясына алып келеді, бұл ауру патологиясына үлес қосады. Қатерлі ісіктердің әртүрлі түрлерінде PARP ингибиторларымен клиникалық сынақтар өтіп жатқанда, PARP ингибиторларын онкологиялық емес түрлі жағдайларға сынауға бағытталған клиникалық зерттеулердің екінші бағыты басталуы күтілуде, бұл "терапевтік мақсатты өзгерту" деп аталатын процесс.
Белсенділендіру
PARP каспазамен кесу арқылы инактивацияланады. ДНҚ зақымдануы кең таралған жүйелерде қалыпты инактивация жүреді деп саналады. Мұндай жағдайларда зақымды қалпына келтіруге жұмсалатын энергия мөлшері мүмкін болмайды, сондықтан энергия тіндердегі басқа жасушаларға бағдарламаланған жасуша өлімі арқылы қайтарылады. Деградациядан басқа, PARP-тың қайтымды төмендету механизмдері туралы жаңа деректер бар, олардың ішінде PARP1-дің өзі басқаратын және YY1 транскрипция факторымен реттелетін "автореттеу циклы" бар. Каспазаның in vitro кесуі каспаза отбасының барлық мүшелерінде жүрсе де, алдын ала алынған деректер каспаза 3 және каспаза 7 in vivo кесуіне жауапты екенін көрсетеді. Кесу 214-аспартик қышқылы және 215-глицинде болады, бұл PARP-ты 24 кДа және 89 кДа сегменттеріне бөледі. Кішігірім бөлігі ДНҚ байланысы үшін қажетті мырыш саусағы мотивін қамтиды. 89 кДа фрагменті өздігінен өзгерту домені мен каталитикалық доменді қамтиды. PARP инактивациясы арқылы PCD-ні (бағдарламаланған жасуша өлімі) қозудың болжамды механизмі ДНҚ байланыстыру аймағы мен өздігінен өзгерту доменінің бөлінуіне негізделген. ДНҚ байланыстыру аймағы, кесілген немесе кесілмеген, протеиннің қалған бөлігіне тәуелсіз түрде осы әрекетті орындай алады. Алайда, ол өздігінен өзгерту домені болмаса, ажыратыла алмайды. Осылайша, ДНҚ байланыстыру домені зақымдалған орынға жабысып, каталитикалық домені болмағандықтан, оны қалпына келтіре алмайды. ДНҚ байланыстыру домені басқа, кесілмеген PARP-тың зақымдалған орынға кіруіне және жөндеуді бастауына кедергі келтіреді. Бұл модель осы "қанттық бітеуіштің" апоптоз сигналын да бастауы мүмкін екенін ұсынады.
Өсімдіктердің ПАРП-тары
Өсімдіктердің ДНК зақымдануына, инфекцияға және басқа да стресстерге жауап беруіндегі поли(АДФ-рибозилдеу) рөлі зерттелді. Өсімдік PARP1 жануарлар PARP1-ге өте ұқсас, бірақ қызығы, Arabidopsis thaliana және, болжам бойынша, басқа да өсімдіктерде PARP2 ДНК зақымдануына және бактериялық патогенезге жауап ретінде PARP1-ге қарағанда маңыздырақ рөл атқарады. Өсімдік PARP2 PARP реттегіш және каталитикалық домендерін қамтиды, PARP1-ге тек орташа ұқсастық танылады, сондай-ақ өсімдіктер мен жануарлардың PARP1 ақуыздарының мырыш саусағы ДНК байланыстыру мотивтерінің орнына N-терминалды SAP ДНК байланыстыру мотивтерін қамтиды.