Русская Википедия:АДФ-рибозилирование

АДФ-рибоза

АДФ-рибозили́рование (Шаблон:Lang-en) — химическая реакция присоединения одного или нескольких остатков АДФ-рибозы к белку^[1]^[2]. Это обратимая посттрансляционная модификация, которая играет важную роль во многих клеточных процессах, таких как передача сигнала, репарация ДНК, регуляция экспрессии генов и апоптоз^[3]^[4]. Неправильное АДФ-рибозилирование наблюдается при некоторых формах рака^[5]. Многие бактериальные токсины, такие как холерный токсин и Шаблон:Нп5, влияют на АДФ-рибозилирование^[6].

История изучения

Первые предположения о существовании такой посттрансляционной модификации белков, как АДФ-рибозилирование, появились в 1960-х. В это время Пьер Шамбон и сотрудники обнаружили, что АТФ поглощается экстрактом ядер курицы^[7]. Последующие исследования показали, что в реакцию вступала АДФ-рибоза — производное NAD⁺. Через несколько лет был идентифицирован фермент, который присоединяет АДФ-рибозу к белкам, его назвали поли(АДФ-рибоза)полимеразой. Поначалу думали, что поли-(АДФ-рибоза) представляет собой линейную цепочку из остатков АДФ-рибозы, соединённых гликозидными связями. Позднее было показано, что через каждые 20—30 остатков цепь может ветвиться^[8].

Моно-АДФ-рибозилирование было описано несколько лет спустя, когда было обнаружено, что для того, чтобы дифтерийный токсин был активен, необходим NAD⁺. Токсин активируется при присоединении к нему одного остатка АДФ-рибозы ферментом моно-АДФ-рибозилтрансферазой. Первоначально считалось, что поли-АДФ-рибозилирование участвует только в регуляции экспрессии генов. Однако по мере того как находили новые ферменты, осуществляющие АДФ-рибозилирование, становилось очевидным разностороннее функциональное значение этой модификации. Хотя первый известный фермент млекопитающих, способный осуществлять поли-АДФ-рибозилирование, был открыт в конце 1980-х, следующие белки млекопитающих с такой активностью были описаны лишь спустя 15 лет^[9]. В конце 1980-х также были открыты ферменты АДФ-рибозилциклазы, которые катализируют присоединение к белкам циклической АДФ-рибозы. Оказалось, что белки семейства сиртуинов, которые могут катализировать NAD⁺-зависимое деацетилирование, обладают также моно-АДФ-рибозилтрансферазной активностью^[10]^[11].

Каталитический механизм

Файл:ADP-Ribosylation-Mechanism.png

Механизм АДФ-рибозилирования. Аминокислотные остатки фермента, катализирующего реакцию, выделены синим

Как правило, источником остатков АДФ-рибозы служит NAD⁺. В этой реакции переноса N-гликозидная связь в NAD⁺, которая связывает АДФ-рибозу с никотинамидной группой, разрывается, после чего боковая группа модифицируемой аминокислоты осуществляет нуклеофильную атаку. АДФ-рибозилтрансферазы катализируют реакции двух видов: моно-АДФ-рибозилирование и поли-АДФ-рибозилирование.

Моно-АДФ-рибозилирование

Моно-АДФ-рибозилтрансферазы чаще всего катализируют присоединение одного остатка АДФ-рибозы к боковой цепи аргинина при помощи особого мотива (R-S-EXE). Сначала разрывается связь между АДФ-рибозой и никотинамидом с формированием Шаблон:Нп5. Затем боковая цепь аргинина модифицируемого белка выступает в роли нуклеофила и атакует электрофильный атом углерода рядом с ионом оксония. Перед нуклеофильной атакой аргинин Шаблон:Нп5 остатком глутамата фермента. Другой консервативный остаток глутамата формирует водородную связь с одной из гидроксильных групп рибозы, что облегчает протекание нуклеофильной атаки. В результате разрыва связь никотинамид высвобождается. Модификацию могут убрать ферменты АДФ-рибозилгидролазы, которые разрывают N-гликозидную связь между аргинином и рибозой с высвобождением АДФ-рибозы и немодифицированного белка. Однако в обратной реакции NAD⁺ не образуется^[12].

Поли-АДФ-рибозилирование

Поли(АДФ-рибозо)полимеразы (Шаблон:Lang-en) встречаются преимущественно у эукариот и катализируют присоединение нескольких остатков АДФ-рибозы к белку. Как и при моно-АДФ-рибозилировании, источником АДФ-рибозы служит NAD⁺. PARP используют каталитическую триаду His-Tyr-Glu для усиления связывания с NAD⁺ и присоединения собранной цепочки поли-АДФ-рибозы к белку. Остаток глутамата облегчает формирование О-гликозидной связи между двумя остатками рибозы^[13]. Существует несколько других ферментов, которые распознают цепочки поли-АДФ-рибозы, гидролизуют их или формируют разветвления. Мотивы, которые с той или иной силой могут связываться с поли-АДФ-рибозой, найдены у более чем 800 белков. Поэтому поли-АДФ-рибозилирование не только меняет структуру и конформацию белка, но может также привлекать к нему другие белки^[14].

Аминокислотная специфичность

В качестве акцепторов АДФ-рибозной группы могут выступать боковые цепи многих аминокислот. С химической точки зрения, поли-АДФ-рибозилирование представляет собой гликозилирование: нуклеофильную атаку, необходимую для формирования связи с рибозой в составе АДФ-рибозы, могут осуществлять атомы кислорода, азота или серы боковых цепей аминокислот^[15]. Первоначально считалось, что мишенями АДФ-гликозилирования выступают остатки глутамата и аспартата. Однако впоследствии было показано, что АДФ-рибозилированию могут подвергаться также остатки серина^[16]^[17], аргинина^[18], цистеина^[19], лизина^[20], дифтамида^[21], Шаблон:Нп5^[22] и аспарагина^[23].

Биологические функции

Апоптоз

PARP активируются при повреждении ДНК или клеточном стрессе, из-за чего увеличивается количество поли-АДФ-рибозы и снижается количество NAD⁺^[24]. Более 10 лет считалось, что единственной поли-АДФ-полимеразой в клетках млекопитающих является Шаблон:Нп5, поэтому из всех поли-АДФ-полимераз этот фермент изучен наиболее хорошо. При апоптозе активированные каспазы разрезают PARP1 на два фрагмента, полностью инактивируя фермент и ограничивая тем самым образование поли-АДФ-рибозы. Один из образовавшихся фрагментов перемещается из ядра в цитоплазму и, как принято считать, становится аутоантигеном. При другой форме программируемой клеточной гибели, Шаблон:Нп5, происходит накопление поли-АДФ-рибозы, вызванное активацией PARP или инактивацией Шаблон:Нп5 — фермента, который гидролизует поли-АДФ-рибозу с образованием свободной АДФ-рибозы. При апоптозе поли-АДФ-рибоза вызывает перемещение в ядро белков, которые запускают Шаблон:Нп5. Гиперактивация PARP приводит к некротической гибели клетки, регулируемой фактором некроза опухоли. По пока не ясному механизму Шаблон:Нп5 влияют на некроптоз^[25].

Регуляция экспрессии генов

АДФ-рибозилирование может оказывать влияние на экспрессию генов почти на каждом этапе, в том числе через организацию хроматина, связывание факторов транскрипции и процессинг мРНК. PARP1 может влиять на структуру хроматина за счёт внесения посттрансляционных модификаций на хвосты гистонов. PARP могут также влиять на структуру факторов транскрипции и их взаимодействия между собой и с промоторами. Например, моно-АДФ-рибозилтрансфераза PARP14 влияет на связывание с промотором транскрипционного фактора Шаблон:Нп5. Другие АДФ-рибозилтрансферазы модифицируют белки, взаимодействующие с мРНК, что может привести к сайленсингу соответствующих генов^[26].

Репарация ДНК

PARP могут принимать участие в репарации одно- и двуцепочечных разрывов в ДНК. Например, PARP1 связывается с ДНК в месте одноцепочечного разрыва и начинает синтезировать поли-АДФ-рибозу, с которой взаимодействует белок Шаблон:Нп5. Он привлекает к месту разрыва другие белки, участвующие в репарации: Шаблон:Нп5, которая обрабатывает концы ДНК при эксцизионной репарации оснований, и апратаксин, который участвует в репарации одноцепочечных разрывов и негомологичном соединении концов^[27].

PARP1 задействована и в репарации двуцепочечных разрывов, например, в негомологичном соединении концов. Также, вероятно, она замедляет движение репликативной вилки после повреждения ДНК и способствует гомологичной рекомбинации. Возможно, PARP1 участвует в репарации двуцепочечных разрывов вместе с Шаблон:Нп5. Существует две гипотезы о характере их совместного действия. Во-первых, они могут функционально заменять друг друга при утрате второй поли-АДФ-рибозилтрансферазы. Согласно другой гипотезе, PARP3 осуществляет моно-АДФ-рибозилирование или синтезирует короткие цепочки из остатков поли-АДФ-рибозы, а также активирует PARP1, которая достраивает их до протяжённых цепей^[28].

Разрушение белков

Главным молекулярным механизмом внутриклеточного разрушения дефектных белков является убиквитин-протеасомная система. АДФ-рибозилтрасфераза Шаблон:Нп5 (TNKS) взаимодействует с регулятором протеасом Шаблон:Нп5. Как было показано на клетках дрозофилы и человека, анкириновый домен TNKS облегчает взаимодействие с N-концевым связывающим мотивом и C-концевым доменом HbYX белка PI31. Это взаимодействие способствует АДФ-рибозилированию PI31 PARP-доменом танкиразы. Кроме того, обработка клеток дрозофилы ингибитором TNKS, известным как XAV939, нарушает работу 26S-субъединицы протеасомы. Более того, поли-АДФ-рибозилированный PI31 не может больше ингибировать активность α-субъединиц 20S-субъединицы протеасомы. Таким образом, поли-АДФ-рибозилирование PI31, опосредуемое танкиразой, оказывает влияние на работу протеасомы^[29].

Клиническое значение

Рак

Как обсуждалось выше, PARP1 принимает участие в репарации одно- и двуцепочечных разрывов ДНК, а также регулируют апоптоз. По этой причине клетки с пониженной активностью PARP1 имеют предрасположенность к злокачественному перерождению. Многие другие PARP также препятствуют образованию раковых клеток. Шаблон:Нп5 участвует в репарации ДНК, PARP3 регулирует удвоение центросом, а танкираза задействована в регуляции длины теломер. При этом полное ингибирование PARP является одним из используемых в настоящее время подходов в лечении рака, поскольку клетки, лишённые хотя бы одной из PARP, быстро погибают. Например, ингибирование PARP1 в раковых клетках вызывает их гибель из-за многочисленных повреждений ДНК. PARP14, вероятно, связана со степенью агрессивности Шаблон:Нп5^[5].

Бактериальные токсины

Файл:Diphtheria tox.png

Кристаллическая структура дифтерийного токсина. PDB: 1MDT

Бактериальные АДФ-рибозилирующие экзотоксины осуществляют ковалентное присоединение остатка АДФ-рибозы с NAD⁺ на белок заражённого эукариотического организма. Например, холерный токсин и один из Шаблон:Нп5 АДФ-рибозилируют α-субъединицу гетеротримерных G-белков. В АДФ-рибозилированном состоянии α-субъединица постоянно активна и связана с ГТФ, поэтому в клетке происходит постоянный синтез цАМФ, что стимулирует выход воды и ионов из клеток кишечного эпителия. Шаблон:Нп5 Clostridium botulinum АДФ-рибозилирует ГТФ-связывающие белки Rho и Ras, Шаблон:Нп5 также осуществляет АДФ-рибозилирование G-белков. При дифтерии АДФ-рибозилируется фактор элонгации трансляции EF-2, что мешает синтезу белка^[6]. Кроме перечисленных бактерий, АДФ-рибозилирующие токсины выделяют клетки Pseudomonas aeruginosa (Шаблон:Нп5)^[30].

Примечания

Шаблон:Примечания Шаблон:Добротная статья

[1] Шаблон:Cite pmid

[2] Шаблон:Cite pmid

[3] Шаблон:Cite pmid

[4] Шаблон:Cite pmid

[Scarpa-5] 5,0 ^5,1 Шаблон:Cite doi

[Krueger-6] 6,0 ^6,1 Шаблон:Cite pmid

[7] Шаблон:Cite pmid

[8] Шаблон:Книга

[9] Шаблон:Cite pmid

[Frye-10] Шаблон:Cite pmid

[11] Шаблон:Cite pmid

[Laing-12] Шаблон:Cite doi

[13] Шаблон:Cite journal

[14] Шаблон:Cite doi

[15] Шаблон:Cite doi

[16] Шаблон:Cite doi

[17] Шаблон:Cite doi

[18] Шаблон:Cite pmid

[19] Шаблон:Cite pmid

[20] Шаблон:Cite pmid

[21] Шаблон:Cite pmid

[22] Шаблон:Cite pmid

[23] Шаблон:Cite pmid

[24] Шаблон:Cite pmid

[25] Шаблон:Cite pmid

[26] Шаблон:Cite pmid

[London-27] Шаблон:Cite pmid

[Pears-28] Шаблон:Cite doi

[ChoPark-29] Шаблон:Cite doi

[Deng-30] Шаблон:Cite pmid

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]

[17]

[18]

[19]

[20]

[21]

[22]

[23]

[24]

[25]

[26]

[27]

[28]

[29]

[30]

Партнерские ресурсы
Криптовалюты	Обмен криптовалют - www.bestchange.ru Криптовалютная биржа CoinEx Криптовалютная биржа Binance HIVE OS - операционная система для майнинга e4pool - Мультивалютный пул для майнинга.
Магазины	AliExpress — глобальная виртуальная (в Интернете) торговая площадка, предоставляющая возможность покупать товары производителей из КНР; computeruniverse.net - Интернет-магазин компьютеров(Промо код 5 Евро на первую покупку:FWWC3ZKQ);
Хостинг	DigitalOcean - американский провайдер облачных инфраструктур, с главным офисом в Нью-Йорке и с центрами обработки данных по всему миру;
Разное	Викиум - Онлайн-тренажер для мозга Like Центр - Центр поддержки и развития предпринимательства. Gamersbay - лучший магазин по бустингу для World of Warcraft. Ноотропы OmniMind N°1 - Усиливает мозговую активность. Повышает мотивацию. Улучшает память. Санкт-Петербургская школа телевидения - это федеральная сеть образовательных центров, которая имеет филиалы в 37 городах России. Lingualeo.com — интерактивный онлайн-сервис для изучения и практики английского языка в увлекательной игровой форме. Junyschool (Джунискул) – международная школа программирования и дизайна для детей и подростков от 5 до 17 лет, где ученики осваивают компьютерную грамотность, развивают алгоритмическое и креативное мышление, изучают основы программирования и компьютерной графики, создают собственные проекты: игры, сайты, программы, приложения, анимации, 3D-модели, монтируют видео. Умназия - Интерактивные онлайн-курсы и тренажеры для развития мышления детей 6-13 лет SkillBox - это один из лидеров российского рынка онлайн-образования. Среди партнеров Skillbox ведущий разработчик сервисного дизайна AIC, медиа-компания Yoola, первое и самое крупное русскоязычное аналитическое агентство Tagline, онлайн-школа дизайна и иллюстрации Bang! Bang! Education, оператор PR-рынка PACO, студия рисования Draw&Go, агентство performance-маркетинга Ingate, scrum-студия Sibirix, имидж-лаборатория Персона. «Нетология» — это университет по подготовке и дополнительному обучению специалистов в области интернет-маркетинга, управления проектами и продуктами, дизайна, Data Science и разработки. В рамках Нетологии студенты получают ценные теоретические знания от лучших экспертов Рунета, выполняют практические задания на отработку полученных навыков, общаются с экспертами и единомышленниками. Познакомиться со всеми продуктами подробнее можно на сайте https://netology.ru, линейка курсов и профессий постоянно обновляется. StudyBay Brazil – это онлайн биржа для португалоговорящих студентов и авторов! Студент получает уникальную работу любого уровня сложности и больше свободного времени, в то время как у автора появляется дополнительный заработок и бесценный опыт. Автор24 — самая большая в России площадка по написанию учебных работ: контрольные и курсовые работы, дипломы, рефераты, решение задач, отчеты по практике, а так же любой другой вид работы. Сервис сотрудничает с более 70 000 авторов. Более 1 000 000 работ уже выполнено. StudyBay – это онлайн биржа для англоязычных студентов и авторов! Студент получает уникальную работу любого уровня сложности и больше свободного времени, в то время как у автора появляется дополнительный заработок и бесценный опыт.