PARP1在氧化应激诱导的DNA损伤及其修复过程中的作用
2015-01-25李炜娟,肖元梅
PARP1在氧化应激诱导的DNA损伤及其修复过程中的作用
李炜娟肖元梅
(南昌大学医学院公共卫生学院,江西南昌330006)
关键词〔〕PARP1;氧化应激;活性氧自由基
第一作者:李炜娟(1988-),女,硕士,主要从事氧化应激损伤研究。
活性氧自由基(ROS)在代谢或炎症过程中定期产生,它的产生与抗氧化防御不平衡形成了氧化应激。氧化应激导致DNA损伤和促进炎症反应〔1,2〕。聚腺苷酸二磷酸核糖聚合酶-1(PARP1)作为DNA损伤的分子感受器,在氧化应激诱导DNA损伤时被激活,活化的PARP1介导碱基切除修复复合物参与受损DNA的修复。
1PARP1的结构及其功能
1.1PARP1的结构PARP1基因位于染色体1q41-42区,有23个外显子。PARP1是一条由1 014个氨基酸残基组成的多肽链,它包括以下几个结构域:(1)N末端DNA结合区域(DBD):包括3个锌指结构(Zn1、Zn2和Zn3)和一个核定位序列,Zn1和Zn2参与DNA损伤位点的识别,Zn3主要是介导区域间的交流和参与PARP1的活化;(2)自我修饰区域(AD):与DNA结合、自身糖基化和二聚体形成有关;(3)C末端催化区域(CAT):催化NAD+转化为ADP核糖基化蛋白受体和尼克酰胺〔3,4〕;(4)高色氨酸-甘氨酸-精氨酸区域(WGR):最新研究显示:WGR是PARP1的核心组成部分,可以与DNA、Zn1、Zn3、和CAT相互作用,组成了一个区域间联系的网络,将受损DNA与CAT区域结合〔5〕。
1.2PARP1的功能PARP1在氧化应激诱导DNA损伤时,通过与DNA单双链断裂处结合被激活。PARP1的活化方式有2种:(1)N末端锌指结构与DNA单双链断裂区域结合活化PARP1;(2)第3锌指结构通过增强C末端催化区域活性使PARP1构象发生改变,进而活化PARP1〔6〕。DNA损伤修复过程中,PARP1通过调节其底物和本身的活性产生大量带有负电荷的多聚ADP核糖链,后者被降解后聚集和激活多蛋白复合物参与氧化应激诱导的DNA损伤修复。PARP1的另一重要作用就是对转录水平的调节,PARP1作为转录因子通过与八聚体同源序列的启动子结合调节基因的表达〔7,8〕。此外,PARP1在细胞凋亡和死亡过程中也发挥了重要作用。
2氧化应激诱导的DNA损伤与PARP1的活化作用
2.1氧化应激诱导的DNA损伤氧化应激产生的大量活性氧自由基造成DNA损伤的形式有单双链断裂、DNA位点突变、双链畸变以及原癌基因突变等,活性氧自由基对线粒体DNA的突变影响大于核DNA,所以线粒体DNA更易遭受氧化应激〔9〕。另外,Fenton反应分解H2O2产生的·OH也能高效的损伤DNA;同时,受损DNA通过激活NF-κB和介导炎症信号转导通路的方式诱导机体产生更多氧化应激,进而又加重了DNA的损伤。
2.2DNA损伤与PARP1的活化作用DNA损伤后激活PARP1,活化的PARP1催化底物NAD+转化为ADP核糖基化蛋白受体和尼克酰胺〔10,11〕,每生成1 mol的聚ADP核糖,消耗1 mol的NAD+和4 mol的ATP,所以,过度的PARP1活化由于ATP能量耗竭而导致细胞死亡,说明轻度的PARP1活化有利于细胞存活,而过度的PARP1活化则导致细胞死亡〔12〕。
3PARP1在DNA单双链断裂损伤修复中的作用
氧化应激产生的大量活性氧自由基可导致DNA单双链断裂。DNA单链断裂时,PARP1识别有缺口的DNA并与之结合被激活,活化的PARP1与DNA损伤处结合形成同型二聚体,催化底物NAD+转化为ADP核糖基化蛋白受体,后者与核受体蛋白结合形成带有大量负电荷的多聚ADP核糖链,多聚ADP核糖链达到一定长度后降解产生聚ADP核糖,聚ADP核糖介导碱基切除修复复合物(XRCC1作为脚手架,与聚合酶β、DNAligⅢ结合形成的复合物)参与DNA单链断裂处的修复〔13〕。轻度的PARP1激活促进DNA的损伤修复,但是过度的PARP1激活导致细胞死亡。
DNA双链断裂修复是比较繁琐的,因为两条DNA链都不能作为模板进行修复,所以非同源末端连接(MHEJ)和同源重组(HR)成为DNA双链断裂修复的主要方式。最近研究数据表明,PARP1不仅参与MHEJ和HR途径的DNA双链断裂修复,还可能控制信号通路的选择,但是其具体机制尚未完全阐明〔14~16〕。
4PARP1作为转录因子控制DNA损伤应答基因的表达
PARP1是一种重要的转录调节因子。PARP1调控转录的重要性在于控制整体变化的基因表达,如对细胞周期、DNA修复和代谢中基因表达的控制。PARP1控制DNA损伤应答基因的表达有酶依赖的染色体重组和酶缺乏的同源序列识别两种机制〔17,18〕。
5结语
PARP1在氧化应激诱导的DNA损伤修复过程中发挥重要作用,但PARP1参与非同源末端连接和同源重组途径介导的DNA双链断裂修复机制还不清楚,随着对PARP1作用机制研究的不断深入,必将为DNA损伤修复研究提供新的线索,同时为临床基因治疗疾病开拓新的前景。
参考文献6
1Kim MY, Zhang T, Kraus WL.Poly(ADP-ribosyl)ation by PARP-1:'PAR-laying' NAD+into a nuclear signal〔J〕.Genes Dev,2005;19(17):1951-67.
2Langelier MF, Planck JL, Roy S,etal.Structural basis for DNA damage-dependent poly(ADP-ribosyl)ation by human PARP-1〔J〕.Science,2012;336(6082):728-32.
3Li X.Binding to WGR domain by salidroside activates PARP1 and protects hematopoietic stem cells from oxidative stress〔J〕.Antioxid Redox Signal, 2014;20(12):1853-65.
4Langelier MF,Ruhl DD,Planck JL,etal.The Zn3 domain of human poly(ADP-ribose) polymerase-1 (PARP-1) functions in both DNA-dependent poly(ADP-ribose) synthesis activity and chromatin compaction〔J〕.J Biol Chem,2010;285(24):18877-87.
5Gagne JP,Rouleau M,Poirier GG.Structural biology.PARP-1 activation-bringing the pieces together〔J〕.Science,2010;336(6082):678-9.
6Ko HL,Ren EC.Novel poly (ADP-ribose) polymerase 1 binding motif in hepatitis B virus core promoter impairs DNA damage repair〔J〕.Hepatology,2011;54(4):1190-8.
7Zhou J,Huang JD,Poon VK,etal.Functional dissection of an IFN-alpha/beta receptor 1 promoter variant that confers higher risk to chronic hepatitis B virus infection〔J〕.J Hepatol,2009;51(2):322-32.
8Nyquist P,Zhang J,De Graba TJ.The-928 G/C and-362 G/C single-nucleotide polymorphisms in the promoter of MCP-1:increased transcriptional activity and novel binding sites〔J〕.Cerebrovasc Dis,2009;29(3):242-7.
9Ishikawa K,Takenaga K,Akimoto M,etal.ROS-generating mitochondrial DNA mutations can regulate tumor cell metastasis〔J〕.Science,2008;320(5876):661-4.
10Schreiber V,Dantzer F,Ame JC,etal.Poly(ADP-ribose):novel functions for an old molecule〔J〕.Nat Rev Mol Cell Biol,2006;7(7):517-28.
11Hassa PO,Haenni SS,Elser M,etal.Nuclear ADP-ribosylation reactions in mammalian cells:where are we today and where are we going〔J〕? Microbiol Mol Biol Rev,2006;70(3):789-829.
12Erener S,Petrilli V,Kassner I,etal.Inflammasome-activated caspase 7 cleaves PARP1 to enhance the expression of a subset of NF-kappaB target genes〔J〕.Mol Cell,2012;46(2):200-11.
13Ko HL,Ren EC. Functional aspects of PARP1 in DNA repair and transcription〔J〕.Biomolecules, 2012;2(4):524-48.
14Paddock MN,Bauman AT,Higdon R,etal.Competition between PARP-1 and Ku70 control the decision between high-fidelity and mutagenic DNA repair〔J〕.DNA Repair (Amst),2011;10(3):338-43.
15Mansour WY,Rhein T,Dahm-Daphi J.The alternative end-joining pathway for repair of DNA double-strand breaks requires PARP1 but is not dependent upon microhomologies〔J〕.Nucleic Acids Res,2010;38(18):6065-77.
16Nam EA,Cortez D.ATR signalling:more than meeting at the fork〔J〕.Biochem J,2011;436(3):527-36.
17Kraus WL.Transcriptional control by PARP-1:chromatin modulation, enhancer-binding, coregulation, and insulation〔J〕.Curr Opin Cell Biol,2008;20(3):294-302.
18Kang X,Kim HJ,Ramirez M,etal.The septic shock-associated Il-10-1082 A>G polymorphism mediates allele-specific transcription via poly(ADP-ribose) polymerase 1 in macrophages engulfing apoptotic cells〔J〕.J Immunol,2010;184(7):3718-24.
〔2014-10-22修回〕
(编辑李相军)
通讯作者:肖元梅(1972-),女,副教授,硕士生导师,主要从事重金属中毒机制与防治研究。
基金项目:国家自然科学基金项目(No.81160342);江西省自然科学基金项目(20122BAB205047);江西省教育厅科技项目(GJJ11312)
中图分类号〔〕R114;R363.1〔
文献标识码〕A〔
文章编号〕1005-9202(2015)23-6924-02;doi:10.3969/j.issn.1005-9202.2015.23.128