ADP-ribozilare
pentru o lungă perioadă de timp, funcția coenzimei NAD a fost considerată a fi legată de rolul său în reacțiile redox. Cu toate acestea, în ultimii 20 de ani, dovezile experimentale au sugerat că NAD participă la evenimente de ribozilare ADP.
în NAD, scindarea legăturii glicozidice dintre C1′ de riboză și N11 de nicotinamidă eliberează nicotinamidă și ADP-ribozil (Fig. 24.1). Acest lucru poate fi atașat la o varietate de molecule acceptoare. Sunt cunoscute numeroase reacții dependente de NAD pentru transferul ADP-riboză (ADP-ribozilare); toate au o mare importanță funcțională.
figura 24.1. ADP-riboză.
mono-ADP-ribozilare. În această modificare posttranslațională, ribozilul ADP din NAD este transferat într-un reziduu de aminoacil (arginină, cisteină, asparagină sau histidină) al unei proteine acceptoare. Trebuie remarcat faptul că legarea ADP-ribozil nicotinamidei în NAD este o legătură energetică ridicată; ruptura sa furnizează energia care face posibilă reacția. Mono-adenozinedifosfat-ribozil transferaza (ART), descrisă inițial în toxinele bacteriene și mai târziu în celulele eucariote, catalizează reacția.
toxina Holerică promovează transferul de mono-ADP-ribozil în subunitatea XV a proteinei GS și o activează. Aceasta duce la stimularea adenilat ciclazei, la creșterea nivelurilor amp ciclice și la o funcție mai mare a canalelor de transport ionic în membrana luminală a enterocitelor. Acest lucru provoacă diaree severă, un simptom caracteristic al infecției cu toxină holeră. Toxina pertussis (produsă de bacteriile care provoacă tuse convulsivă) determină ribozilarea ADP a reziduurilor de cisteinil și decuplează proteina G din receptorul său. Toxina difterică și exotoxina Pseudomonas opresc sinteza proteinelor prin ADP-ribozilarea factorului de alungire 2 (EF2). Toxina Clostridium ADP-ribozilează moleculele de actină și previne polimerizarea acesteia. Aceste acțiuni arată că ribozilarea mono-ADP influențează semnificativ funcția proteinei modificate.
la om, au fost recunoscute mai multe enzime de ribozilare ADP. Unele sunt ancorate de glicozil-fosfatidilinozitol la suprafața exterioară a membranei plasmatice (ectoenzime), iar altele sunt în interiorul celulei (endoenzime).
descoperirea ectoenzimelor care acționează asupra NAD localizate în celule a fost izbitoare. Se crede că aceste enzime utilizează NAD eliberat în spațiul interstițial de celulele lizate; alternativ, a fost propusă existența canalelor care permit ieșirea NAD prin membrana plasmatică. Ectoenzimele sunt asociate funcțional cu modularea diferențierii miocitelor și a altor procese asociate cu răspunsurile imune și inflamatorii, cum ar fi chemotaxia, recrutarea neutrofilelor, inhibarea citotoxicității celulelor T și adeziunea celulară.
artele intracelulare sunt implicate în reglarea sistemelor de transducție a semnalului în care proteinele G sunt implicate și servesc ca substraturi ART. Ribozilarea mono-ADP poate afecta semnalizarea și poate promova diverse efecte celulare. Inhibarea translației proteinelor, reglarea aparatului Golgi și funcția citoscheletului sunt rezultatul acestor modificări posttranslaționale.
poli-ADP-ribozilare. Acesta este un alt tip de modificare posttranslațională catalizată de poli-adenozinedifosfat-ribozil polimeraze (PARP). Au fost identificate optsprezece gene PARP, dar nu toate enzimele codificate de aceste gene au fost caracterizate. PARP leagă inițial ADP-ribozilul de reziduurile de glutamil sau aspartil din proteina acceptoare. Apoi, continuă inserarea moleculelor ADP-ribozil, atașându-le liniar prin legături glicozidice 1′
2′. La fiecare 40-50 de unități, punctele de ramură sunt create în lanțul principal, inserând legături de 1′3′. PARP poate suferi, de asemenea, auto-poli-ADP-ribozilare; unul dintre substraturile majore ale PARP este PARP în sine.
polimerii ADP-riboză sunt foarte electronegativi și afectează proprietățile proteinei modificate. Creșterea sarcinii negative a proteinei mărește repulsia proteinei ADP-ribozilate cu alți polianioni, cum ar fi ADN-ul; sau atrage molecule încărcate pozitiv, cum ar fi histonele.
printre polimerazele ADP-ribozil cunoscute, unele sunt situate în nucleu. PARP-1 și PARP-2 sunt activate de prezența siturilor scindate în firele ADN, la care se leagă PARP. Aceste site-uri scindate apar de obicei în timpul replicării și reparării ADN-ului sau pot fi cauzate de agenți externi. PARP-3, este adesea asociat cu centrosomul și PARP-4 este asociat cu particule de ribonucleoproteină. PARP – 7 și PARP-10 sunt implicate în ribozilarea histonei. TNK – urile și TNK-2 sunt, de asemenea, poli-ADP-ribozil polimeraze și sunt asociate cu telomerii.
modificarea prin poli-ADP-ribozilarea proteinelor bazice, cum ar fi histonele, modifică interacțiunile ADN-histone, precum și atracțiile intra – și internucleozomale, promovând o structură mai slabă a cromatinei. Acest lucru facilitează accesul la ADN-ul enzimelor implicate în procesele de replicare și reparare, inclusiv helicază, topoizomerază, polimerază și ligază. PARP-ADP-auto-poliribosilatul tinde să respingă firele ADN din apropiere pe măsură ce sarcina sa electronegativă crește și, în cele din urmă, se separă.
PARP asociat telomerilor promovează activitatea telomerazei în alungirea cromozomilor. Mai mult, prezența lor servește la respingerea altor fire de ADN și la prevenirea anomaliilor, cum ar fi translocațiile și fuziunile de recombinare end-to-end sau dăunătoare.
poli-ADP-ribozilarea unor enzime le poate modifica activitatea; de exemplu, poate stimula ligaza ADN și inhiba endonucleaza, prevenind degradarea ADN-ului.
PARP este implicat în reglarea structurii cromatinei, transcripției, replicării, reparării, menținerii integrității ADN-ului și stimulării ADN ligazei. Absența sau scăderea activității PARP duce la instabilitatea genomului.
PARP asociat centrozomilor contribuie la o separare ordonată a cromozomilor în timpul mitozei.
PARP este, de asemenea, implicat în diferențierea celulară și degradarea proteinelor în timpul morții celulare programate (apoptoza, Capitolul 32). Mecanismele de acțiune nu sunt încă clar înțelese. PARP mediază apoptoza prin semnale proinflamatorii. Controlează eliberarea factorului de inducere a apoptozei (AIF) din mitocondrii. Studii recente au arătat, de asemenea, o relație între poli-ADP-ribozilare și poliubiquitinare în etichetarea proteinelor pentru degradare.
în cazurile de stres celular, supraactivarea PARP poate duce la epuizarea NAD și ATP, cu consecințe devastatoare pentru celula care se termină în necroza celulară.
studiile efectuate pe animale de laborator au arătat că condițiile ischemice, în creier și inimă, sub șoc septic sau procese inflamatorii severe se îmbunătățesc atunci când PARP este inhibat. Este probabil ca aceste observații să aibă aplicare clinică; cu toate acestea, provocarea activității reduse a ADP-riboz polimerazei care duce la destabilizarea genomului, acumularea de mutații și, eventual, la transformarea malignă (carcinogeneza), trebuie rezolvată mai întâi.
polimerii ADP-riboză sunt degradați de poli-ADP-riboză glicohidrolază, care eliberează ADP-riboză liberă. O liază ADP-riboză eliberează prima unitate atașată la proteină. Pirofosfataza separă AMP și fosfatul de riboză.
deacetilare dependentă de NAD. Există o familie proteică de deacetilaze dependente de nad numite sirtuine, care eliberează grupul nicotinamidă din NAD și utilizează acetat separat de proteine ca acceptor ADP-ribozil pentru a forma 2′-o-acetil-ADP-riboză. Această activitate a fost observată pentru prima dată în drojdie și a fost desemnată cu acronimul SIR (regulator de informații silențioase); mai târziu a fost demonstrată și în nematodul Caenorhabditis elegans și în Drosophila melanogaster. Acțiunea lor crește durata de viață a acestor organisme, în special în condițiile în care nutrienții din mediu sunt restricționați.
Sirtuinele (SIRT) cuprind o familie de șapte membri proteici (SIRT-1 până la SIRT-7), care poate fi considerată o variantă a ADP-ribozilazelor. Ei folosesc diverse substraturi, cum ar fi histone, proteine p53, factori de transcripție, factor nuclear kB și altele. De exemplu, deacetilarea histonei induce o structură mai compactă a cromatinei, care promovează tăcerea genelor și protejează zonele critice ale cromozomilor, cum ar fi telomerii și centrosomii. Deacetilarea proteinei p53 este importantă pentru stabilitatea genomică; controlează ciclul celular, repararea ADN-ului și apoptoza. Deacetilarea p53 crește aparent stabilitatea sa prin blocarea ubiquitinării.
SIRT 1 este implicat în metabolismul energetic, răspunsul la stresul oxidativ, senescența celulară și protecția endoteliei vasculare și a nervilor în diferite condiții patologice.
nicotinamida eliberată din deacetilările dependente de NAD acționează ca un inhibitor puternic al activității sirtuinei, contribuind la reglarea acesteia.
deoarece acțiunea sirtuinelor contribuie la prelungirea vieții în unele organisme, se credea că este un factor general de prelungire. Cu toate acestea, nu există încă suficiente dovezi pentru a extrapola aceste rezultate la animalele superioare.
se crede că menținerea nivelurilor normale de poli-PARP polimeraze și sirtuine în celule poate preveni sau întârzia carcinogeneza și tulburările legate de îmbătrânire.
produsul 2′-o-acetil-ADP-riboză, rezultat din activitatea sirtuinei, funcționează ca un al doilea mesager.
reacțiile care nu au legătură cu modificarea posttranslațională a proteinelor, dar pot fi considerate variante de ribozilare ADP, generează compuși cu acțiune fiziologică importantă: ADP-riboză ciclică și acid nicotinic-ADP-riboză-fosfat (NAADP) (vezi p. 669).