ADP-ribosylation
Po dlouhou dobu, je funkce koenzymu NAD byl věřil být ve vztahu k jeho roli v redoxních reakcí. V posledních 20 letech však experimentální důkazy naznačují, že NAD se účastní ADP-ribosylačních událostí.
v NAD se štěpením glykosidické vazby mezi C1 ‚ ribózy a N11 nikotinamidu uvolňuje nikotinamid a ADP-ribosyl (obr. 24.1). To může být spojeno s různými akceptorovými molekulami. Je známo mnoho reakcí závislých na NAD pro přenos ADP-ribózy (ADP-ribosylace); všechny mají velký funkční význam.
obrázek 24.1. ADP-ribóza.
Mono-ADP-ribosylace. V této posttranslační modifikace, ADP ribosyl z NAD je převedena na aminoacyl zbytky (arginin, cystein, asparagin, nebo histidin) akceptor protein. Je třeba poznamenat, že vazba ADP-ribosyl nikotinamidu v NAD je vazba s vysokou energií; jeho prasknutí poskytuje energii, která umožňuje reakci. Mono-adenosindifosfát-ribosyltransferáza (ART), původně popsaná v bakteriálních toxinech a později v eukaryotických buňkách, katalyzuje reakci.
toxin cholery podporuje přenos mono-ADP-ribosylu na α podjednotku GS proteinu a aktivuje ho. To vede ke stimulaci adenylátcyklázy, zvýšení hladin cyklických AMP a vyšší funkci iontových transportních kanálů v luminální membráně enterocytů. To způsobuje těžký průjem, charakteristický příznak infekce toxinem cholery. Toxin černého kašle (produkovaný bakteriemi, které způsobují černý kašel) určuje ADP-ribosylaci cysteinylových zbytků a odděluje g protein od jeho receptoru. Difterický toxin a exotoxin Pseudomonas zastavují syntézu proteinů ADP-ribosylací elongačního faktoru 2 (EF2). Clostridium toxin ADP-ribosyluje molekuly aktinu a zabraňuje jeho polymeraci. Tyto účinky ukazují, že mono-ADP-ribosylace výrazně ovlivňuje funkci modifikovaného proteinu.
u lidí bylo rozpoznáno několik ADP-ribosylačních enzymů. Některé jsou ukotveny glykosyl-fosfatidylinositolem na vnějším povrchu plazmatické membrány (ektoenzymy) a jiné jsou v buňce (endoenzymy).
nález ektoenzymů, které působí na NAD umístěné uvnitř buněk, byl nápadný. Předpokládá se, že tyto enzymy používají NAD uvolněn do intersticiálního prostoru do lyse buněk; případně existenci programy, které umožňují výstup NAD přes plasmatickou membránu bylo navrženo. Na ectoenzymes jsou funkčně spojeny s modulace diferenciaci myocytů a další procesy spojené s imunitní a zánětlivé reakce, jako je chemotaxe, nábor neutrofilů inhibice T-buněčnou cytotoxicitu, a adhezi buněk.
intracelulární umění se podílí na regulaci systémů signální transdukce, ve kterých jsou zapojeny G proteiny a slouží jako Art substráty. Mono-ADP-ribosylace může ovlivnit signalizaci a podporovat různé buněčné účinky. Inhibice translace proteinů, regulace Golgiho aparátu a funkce cytoskeletu jsou výsledkem těchto posttranslačních modifikací.
Poly-ADP-ribosylace. Jedná se o další typ posttranslační modifikace katalyzované poly-adenosindifosfát-ribosyl polymerázami (PARP). Bylo identifikováno osmnáct PARP genů, ale ne všechny enzymy kódované těmito geny byly charakterizovány. PARP zpočátku váže ADP-ribosyl na glutamylové nebo aspartylové zbytky v akceptorovém proteinu. Poté pokračuje v vkládání molekul ADP-ribosyl a lineárně je připojuje glykosidickými vazbami 1′
2′. Při každých 40-50 jednotkách se v hlavním řetězci vytvářejí odbočné body, které vkládají vazby 1 ‚3′. PARP může také podstoupit auto-poly-ADP-ribosylaci; jedním z hlavních substrátů PARP je samotný PARP.
polymery ADP-ribózy jsou vysoce elektronegativní a ovlivňují vlastnosti modifikovaného proteinu. Zvýšení negativního náboje proteinu zvyšuje odpuzování ADP-ribosylovaného proteinu jinými polyaniony, jako je DNA; nebo přitahuje pozitivně nabité molekuly, jako jsou histony.
mezi známými ADP-ribosyl polymerázami se některé nacházejí v jádře. PARP-1 a PARP-2 se aktivují přítomností štěpených míst v řetězcích DNA, na které se PARP váže. Tato štěpená místa se obvykle vyskytují během replikace a opravy DNA nebo mohou být způsobena vnějšími činiteli. PARP-3 je často spojován s centrosomem a PARP-4 je spojen s částicemi ribonukleoproteinu. PARP-7 a PARP-10 se podílejí na histonové ribosylaci. TNKS a TNKS-2 jsou také poly-ADP-ribosyl polymerázy a jsou spojeny s telomery.
modifikace pomocí poly-ADP-ribosylation základní proteiny jako jsou histony, mění DNA-histon interakce, stejně jako intra – a internucleosome atrakcí, podpora volnější strukturou chromatinu. To usnadňuje přístup k DNA enzymů zapojených do procesů replikace a opravy, včetně helikázy, topoizomerázy, polymerázy a ligázy. PARP-ADP-auto-polyribosylát má tendenci odpuzovat blízké řetězce DNA, jak se zvyšuje jeho elektronegativní náboj, a nakonec se odděluje.
PARP spojený s telomerami podporuje telomerázovou aktivitu při prodloužení chromozomů. Kromě toho jejich přítomnost slouží k odpuzování jiných řetězců DNA a prevenci abnormalit, jako jsou translokace a end-to-end nebo škodlivé rekombinační fúze.
Poly-ADP-ribosylation některých enzymů může modifikovat svou činnost; například, to může stimulovat ligázy DNA a inhibují endonukleázy, zabránění degradace DNA.
PARP se podílí na regulaci struktury chromatinu, transkripci, replikaci,opravě, udržování integrity DNA a stimulaci dna ligázy. Absence nebo snížení aktivity PARP vede k nestabilitě genomu.
PARP spojený s centrosomy přispívá k řádnému oddělení chromozomů během mitózy.
PARP se také podílí na buněčné diferenciaci a degradaci proteinů během programované buněčné smrti (apoptóza, Kapitola 32). Mechanismy působení nejsou dosud jasně pochopeny. PARP zprostředkovává apoptózu prozánětlivými signály. Řídí uvolňování faktoru indukujícího apoptózu (AIF) z mitochondrií. Nedávné studie také ukázaly vztah mezi poly-ADP-ribosylací a polyubikvitinací v označování proteinů pro degradaci.
V případě buněčného stresu, overactivation PARP může vést k vyčerpání NAD a ATP, s ničivými důsledky pro buňku, která končí v buněčné nekrózy.
studie na laboratorních zvířatech ukázaly, že ischemické stavy v mozku a srdci, při septickém šoku nebo při závažných zánětlivých procesech se zlepšují, když je PARP inhibován. Je pravděpodobné, že tyto připomínky budou mít klinické aplikace; nicméně, výzva snižuje ADP-ribóza polymeráza aktivity vedoucí k destabilizaci genomu, akumulace mutací, a nakonec k maligní transformaci (karcinogeneze), musí být nejprve vyřešen.
polymery ADP-ribózy jsou degradovány glykohydrolázou poly-ADP-ribózy, která uvolňuje volnou ADP-ribózu. ADP-ribózová lyáza uvolňuje první jednotku připojenou k proteinu. Pyrofosfatáza odděluje AMP a ribózový fosfát.
nad-dependentní deacetylace. Tam je protein z rodiny NAD-dependentní deacetylases nazývá sirtuins, které uvolnění nikotinamidu skupiny z NAD a využít acetát oddělena od bílkoviny jako ADP-ribosyl akceptor, vzniká 2′-O-acetyl-ADP-ribose. Tato aktivita byla poprvé pozorována u kvasinek a byla označena zkratkou SIR( silent information regulator); později byla prokázána také u hlístic Caenorhabditis elegans a Drosophila melanogaster. Jejich působení zvyšuje životnost těchto organismů, zejména v podmínkách, kdy jsou živiny v médiu omezeny.
Sirtuiny (SIRT) zahrnují rodinu sedmi proteinových členů (SIRT-1 až SIRT-7), které lze považovat za variantu ADP-ribosyláz. Používají různé substráty, jako jsou histony, protein p53, transkripční faktory, jaderný faktor kB a další. Například, histonů deacetylation vyvolává více kompaktní strukturu chromatinu, která podporuje umlčování genů a chrání kritické oblasti chromozomů, jako jsou telomery a centrosomes. Deacetylace proteinu p53 je důležitá pro genomickou stabilitu; řídí buněčný cyklus, opravu DNA a apoptózu. Deacetylace p53 zřejmě zvyšuje jeho stabilitu blokováním ubikvitinace.
SIRT 1 je zapojen do energetického metabolismu, oxidativního stresu, reakce, buněčné stárnutí a ochranu cévních endotelových buněk a nervů v různých patologických podmínkách.
nikotinamid uvolněný z DEACETYLACÍ závislých na NAD působí jako silný inhibitor aktivity sirtuinu a přispívá k jeho regulaci.
vzhledem k tomu, že působení sirtuinů přispívá k prodloužení života v některých organismech, bylo považováno za obecný faktor prodloužení. Zatím však není dostatek důkazů, které by tyto výsledky extrapolovaly na vyšší zvířata.
předpokládá se, že udržování normálních hladin Poly-PARP polymeráz a sirtuinů v buňkách může zabránit nebo oddálit karcinogenezi a poruchy související se stárnutím.
produkt 2′ – O-acetyl-ADP-ribóza, který je výsledkem sirtuinové aktivity, funguje jako druhý posel.
reakce, které nesouvisejí s posttranslační modifikací proteinů, ale lze je považovat za varianty ADP-ribosylace, vytvářejí sloučeniny s důležitým fyziologickým účinkem: cyklická ADP-ribóza a kyselina nikotinová-ADP-ribóza-fosfát (NAADP) (viz s. 669).