ADP核糖基化对DNA损伤修复的调控

ADP核糖基化对DNA损伤修复的调控摘要 DNA链断裂在细胞中持续发生，可导致染色体重排和基因组不稳定或细胞死亡。最常见的是DNA单链断裂，单个细胞每天可成千上万次发生，会阻碍RNA/DNA 聚合酶的反应，干扰基因转录和基因组复制。如果DNA单链断裂没有得到及时修复，在基因组复制过程中会演变转变为DNA双链断裂，从而激活一系列的DNA损伤反应。在DNA的损伤修复途径中，ADP核糖基化行使了非常重要的功能，本文将详细阐述ADP核糖基化参与的具体DNA损伤修复途径。 关键词 ADP核糖基化；DNA损伤；修复 73-02 ADP核糖基化指的是烟酰胺腺嘌呤二核苷酸中的ADP核糖基部分与某些蛋白质的氨基酸残基发生共价连接反应，从而影响蛋白质的功能。ADP核糖基化由ADP核糖转移酶（ADPRTS）来完成，动物细胞有一个很大的ADP核糖转移酶基因家族，在这个基因家族中，有的具有多聚ADP核糖基团转移活性（poly ADP ribosylation），对底物进行多聚ADP核糖基化修饰；有的具有单一ADP核糖基团转移活性（momo-ADP ribosylation），对底物进行单个ADP核糖基化修饰1-3。在DNA损伤过程中，可检测的多聚ADP核糖基化，多聚转移酶PARP-1占据了80%90%。PARP-1也可以进行自身ADP核糖基化修饰，在较小程度上，也可以对其他DNA修复蛋白和组蛋白进行短暂的ADP核糖基化修饰。现将ADP参与的具体DNA损伤修复途径介绍如下。 1 ADP核糖基化与DNA单链断裂修复（SSBR） 1.1 ADP核糖基化与DNA单链断裂（SSBs） DNA单链断裂是一种最常见的DNA损伤，与可遗传的神经变性疾病密切相关4，SSBs可由糖氧化损伤直接产生，也可由DNA碱基切除修复（BER）或DNA拓扑异构酶1（TOP1）失活间接产生。到目前为止，PARP-1在ADPRT家族中是唯一被证明参与SSBs修复过程的5。PARP-1是一种核定位蛋白，在遗传稳定性、细胞抗电离辐射和烷基化损伤等方面发挥着重要功能6-9。PARP-1除了与其参与的DNA损伤修复过程一致的表型外，还有一些其他的表型，因为PARP-1还具有通过调整染色质结构调控基因转录的功能10-11。 PARP-1通过2个锌指结构域结合DNA断裂链，结合后，其活性将被迅速激活到500倍以上。这种结合是一个非常短暂的过程，因为其自ADP核糖基化会导致其从DNA链上脱离下来。多聚ADP核糖基团在几分钟内会被多聚ADP核糖水解酶降解。PARP-1与DNA断裂链的脱离有利于其他DNA修复蛋白与断裂链的结合。 1.2 ADP核糖基化与DNA单链断裂修复（SSBR） ADP核糖转移酶的合成促进DNA单链断裂修复，比如脱氧核糖分解导致的DNA单链氧化断裂。由于这些断裂在核基因组上随机发生，需要这样的一个感受因子去发现并修复这些断裂。PARP-1促进SSBR的途径之一是通过促进XRCC1的积累来发挥功能。XRCC1可与其他的SSBR酶复合体组分直接互作，可促进SSBR酶复合体的形成并维持其稳定性。XRCC1有一个BRC保守结构域，可与核糖基化的PARP结合，因此PARP通过自ADP核糖基化来促进XRCC1和其他互作的蛋白因子在DNA断裂链的积累，从而完成修复过程12。 除了XRCC1的积累之外，染色质结构的调控也是PARP-1促进SSBR的途径。PARP-1可通过组蛋白ADP核糖基化，组蛋白分子伴侣、染色质重塑因子的积累来调整染色质结构，通过调控基因转录来促进SSBR过程13-15。 2 ADP核糖基化与DNA 复制过程中的DNA损伤修复 大量证据PARP-1参与了全基因组SSBs的修复。未修复的SSBs在细胞分裂S期，会导致复制叉的解体，从而演变成DNA双链断裂（DSBs），这需要通过同源重组（HR）的方式来进行修复，大量证据表明PARP-1在该过程发挥了重要功能。在外施喜树碱（CPT）诱导SSBs或TOP1失活剂的情况下，PARP-1可阻止脊椎动物复制叉的解体。此外，在复制叉已经解体的情况下，PARP-1可引导对SSBs演变成的DSBs进行HR修复而不是不利于基因稳定遗传的NHEJ（非同源重组黏性末端结合）修复。在DT40细胞中，PART-1突变体对CPT高度敏感，这种表型可在抑制KU80和Lig4基因（参与NHEJ的相关基因）的情况下得以回复。同样，在外施PARP抑制剂的情况下，HR途径会受到抑制，这种抑制在NHEJ相关基因突变的情况下得到恢复16。 3 ADP核糖基化与非同源重组黏性末端结合（NHEJ） 在NHEJ途径中，主要依赖于NHEJ关键因子Ku、DNA-PKcs和Lig4，该途径又被称为传统的NHEJ（C-NHEJ）途径；除此之外，还存在另外一种A-NHEJ途径，虽然它不是最主要的NHEJ，但其在染色体重排和基因组稳定性方面同样发挥着重要功能17-19。 3.1 ADP核糖基化与C-NHEJ 多个证据表明，ADP核糖基化参与了NHEJ途径，比如：PARP-1可以结合DSBs，并被激活；PARP-1可与Ku、DNA-PKcs直接互作；PARP-1可以招募染色体重塑酶SMARCA5/SNF2H。但在PARP-1突变体试验中，并没有太多的证据表明PARP-1促进了C-NHEJ途径，也许PARP-1参与的是A- NHEJ途径20。尽管PARP-1在C-NHEJ途径中的功能未知，但在C-NHEJ过程中确实存在蛋白ADP核糖基化修饰。在参与C-NHEJ的很多蛋白，包括Ku70都存在结合单一或多聚ADP核糖基团的结构域。最近报道的APLF带有结合多聚ADP核糖基团的PBZ结构域。APLF虽然不为NHEJ所必需，但可促进这一进程21-26。奇怪的是，APLF参与C-NHEJ途径依赖的并不是PARP-1，而是PARP-3。PARP-3与PARP-1有诸多不同，比如它为DSBs所激活的程度不如PARP-1高。此外，它对靶蛋白多进行单一ADP核糖基修饰，而非PARP-1行使的多聚修饰方式27-28。 3.2 ADP核糖基化与A-NHEJ 相对于C-NHEJ途径而言，PARP-1确切地参与了A-NHEJ过程29-31。A-NHEJ是一种不依赖于Ku和DNA-PKcs的途径，主要包括2种方式：一种是根据DNA微同源序列利用DNA连接酶3（DNA Lig3）进行修复；另一种不依赖于DNA微同源序列利用DNA连接酶1（DNA Lig1）进行修复32-33。A-NHEJ可在细胞中轻易检测到，在细胞不同周期、不同发育期动态发生，尤其在G2时期达到最高值34-36。A-NHEJ解释了包括DSBs诱导的染色体易位、基因重排和端粒融合等多种现象37-41。PARP-1在A-NHEJ过程中，可能行使了招募DNA连接酶3进行DNA连接的功能，具体还有待研究。 4 展望 尽管在ADP核糖基化对DNA损伤修复的调控方面取得了大量的研究成果，但是在评价PARP在DNA修复中的功能时，PARP抑制剂的使用对试验结果的准确性造成了一定的影响，因为它在试验过程中将会导致额外的DNA损伤，这种损伤不能等价于在PARP缺失时造成的DNA损伤。同时，在DNA损伤以后，多聚ADP核糖基化的关键靶点现在仍然未知。随着质谱技术的发展，将为检测和分析多聚ADP核糖基化修饰的靶蛋白提供了强有力的工具，为揭示DNA损伤修复的奥秘提供更多的科学依据。这些研究将有助于人们了解基因突变和进化的机制。 5