ADP-ribosylering
i lang tid blev funktionen af nad antaget at være relateret til dens rolle i reaktioner. I de sidste 20 år antydede eksperimentelle beviser imidlertid, at NAD deltager i ADP-ribosyleringshændelser.
i NAD frigiver spaltningen af glykosidbindingen mellem C1′ af ribose og N11 af nicotinamid nicotinamid og ADP-ribosyl (Fig. 24.1). Dette kan fastgøres til en række acceptormolekyler. Talrige NAD-afhængige reaktioner til overførsel af ADP-ribose (ADP-ribosylering) er kendt; alle er af stor funktionel betydning.
figur 24.1. ADP-ribose.
Mono-ADP-ribosylering. I denne posttranslationelle modifikation overføres ADP ribosyl fra NAD til en aminoacylrest (arginin, cystein, asparagin eller histidin) af et acceptorprotein. Det skal bemærkes, at binding af ADP-ribosyl nicotinamid i NAD er en høj energibinding; dens brud giver den energi, der gør reaktionen mulig. Mono-adenosindiphosphat-ribosyl transferase (ART), oprindeligt beskrevet i bakterietoksiner og senere i eukaryote celler, katalyserer reaktionen.
Koleratoksin fremmer overførslen af mono-ADP-ribosyl til GS-proteinets underenhed og aktiverer det. Dette fører til stimulering af adenylatcyclase, stigning i cykliske AMP-niveauer og højere funktion af iontransportkanaler i enterocytternes luminale membran. Dette forårsager alvorlig diarre, et karakteristisk symptom på kolera toksin infektion. Pertussistoksinet (produceret af de bakterier, der forårsager kighoste) bestemmer ADP-ribosylering af cysteinylrester og frigør G-protein fra dets receptor. Difteritoksin og Pseudomonas-eksotoksin stopper proteinsyntesen ved ADP-ribosylering af forlængelsesfaktor 2 (EF2). Clostridiumtoksin ADP-ribosylater actinmolekyler og forhindrer dets polymerisering. Disse handlinger viser, at mono-ADP-ribosylation markant påvirker funktionen af det modificerede protein.
hos mennesker er flere ADP-ribosyleringer blevet anerkendt. Nogle er forankret af glycosyl-phosphatidylinositol til den ydre overflade af plasmamembranen, og andre er inden i cellen.
fundet af ektoensymer, der virker på NAD placeret i cellerne, var slående. Det antages, at disse celler bruger NAD frigivet i det interstitielle rum af lyserede celler; alternativt er eksistensen af kanaler, der tillader udgang af NAD gennem plasmamembranen, blevet foreslået. Det er en af de mest almindelige årsager til myocytdifferentiering og andre processer, der er forbundet med immun-og inflammatoriske reaktioner, såsom kemotakse, rekruttering af neutrofiler, hæmning af T-cellecytotoksicitet og celleadhæsion.
intracellulær kunst er involveret i reguleringen af signaltransduktionssystemer, hvor G-proteiner er involveret og tjener som KUNSTSUBSTRATER. Mono-ADP-ribosylering kan påvirke signalering og fremme forskellige cellulære effekter. Inhibering af proteinoversættelse, regulering af Golgi-apparatet og cytoskeletfunktion er et resultat af disse posttranslationelle modifikationer.
Poly-ADP-ribosylering. Dette er en anden type posttranslationel modifikation katalyseret af poly-adenosindiphosphat-ribosylpolymeraser (PARP). Atten PARP-gener er blevet identificeret, men ikke alle de gener, der er kodet af disse gener, er blevet karakteriseret. PARP binder oprindeligt ADP-ribosyl til glutamyl-eller aspartylrester i acceptorproteinet. Derefter fortsætter det med at indsætte ADP-ribosyl molekyler, der fastgør dem lineært af glycosidiske 1′
2′ bindinger. Ved hver 40-50 enheder oprettes grenpunkter i hovedkæden og indsætter 1′3′ obligationer. PARP kan også gennemgå auto-poly-ADP-ribosylering; et af de største substrater for PARP er PARP selv.
ADP-ribosepolymerer er stærkt elektronegative og påvirker egenskaberne af det modificerede protein. Stigningen i den proteinnegative ladning øger afstødningen af det ADP-ribosylerede protein med andre polyanioner, såsom DNA; eller tiltrækker positivt ladede molekyler, såsom histoner.
blandt de kendte ADP-ribosylpolymeraser er nogle placeret i kernen. PARP – 1 og PARP-2 aktiveres ved tilstedeværelsen af spaltede steder i DNA-strengene, hvortil PARP binder. Disse spaltede steder forekommer normalt under DNA-replikation og reparation eller kan være forårsaget af eksterne stoffer. PARP-3, er ofte forbundet med centrosomet, og PARP-4 er forbundet med ribonukleoproteinpartikler. PARP-7 og PARP-10 er involveret i histonribosylering. TNK ‘er og TNK’ er-2 er også poly-ADP-ribosyl-polymeraser, og de er forbundet med telomerer.
modifikationen ved poly-ADP-ribosylering af basiske proteiner, såsom histoner, ændrer DNA-histoninteraktioner såvel som intra – og internukleosomattraktioner, hvilket fremmer en løsere kromatinstruktur. Dette gør det lettere at få adgang til DNA, der er involveret i replikations-og reparationsprocesserne, herunder helicase, topoisomerase, polymerase og ligase. PARP-ADP-auto-polyribosylat har tendens til at afvise nærliggende DNA-tråde, når dets elektronegative ladning stiger og til sidst adskilles.
PARP associeret med telomerer fremmer telomeraseaktivitet i kromosomforlængelse. Desuden tjener deres tilstedeværelse til at afvise andre DNA-tråde og forhindre abnormiteter, såsom translokationer og ende-til-ende eller skadelige rekombinationsfusioner.
Poly-ADP-ribosylation kan ændre deres aktivitet; for eksempel kan det stimulere DNA-ligase og hæmme endonuklease, hvilket forhindrer DNA-nedbrydning.
PARP er involveret i reguleringen af kromatinstruktur, transkription, replikation, reparation, vedligeholdelse af DNA-integritet og stimulering af DNA-ligase. Fraværet eller faldet i PARP-aktivitet fører til genom ustabilitet.
PARP associeret med centrosomer bidrager til en ordnet adskillelse af kromosomer under mitose.
PARP er også involveret i celledifferentiering og proteinnedbrydning under programmeret celledød (apoptose, Kapitel 32). Handlingsmekanismerne er endnu ikke klart forstået. PARP medierer apoptose gennem proinflammatoriske signaler. Det styrer frigivelsen af apoptoseinducerende faktor (AIF) fra mitokondrier. Nylige undersøgelser har også vist et forhold mellem poly-ADP-ribosylering og polyubikvitation i mærkning af proteiner til nedbrydning.
i tilfælde af cellestress kan overaktivering af PARP føre til udtømning af NAD og ATP med ødelæggende konsekvenser for cellen, der ender i cellenekrose.
undersøgelser i forsøgsdyr har vist, at iskæmiske tilstande i hjerne og hjerte under septisk chok eller alvorlige inflammatoriske processer forbedres, når PARP hæmmes. Det er sandsynligt, at disse observationer vil have klinisk anvendelse; udfordringen med reduceret ADP-ribose-polymeraseaktivitet, der fører til genom-destabilisering, akkumulering af mutationer og til sidst til ondartet transformation (carcinogenese), skal dog først løses.
ADP-ribosepolymerne nedbrydes af poly-ADP-riboseglycohydrolasen, som frigiver fri ADP-ribose. En ADP-riboselyase frigiver den første enhed, der er bundet til proteinet. Pyrophosphatase adskiller AMP og ribosefosfat.
NAD-afhængig deacetylering. Der er en proteinfamilie af NAD-afhængige deacetylaser kaldet sirtuiner, som frigiver nikotinamidgruppen fra NAD og anvender acetat adskilt fra proteiner som en ADP-ribosyl-acceptor til dannelse af 2′-O-acetyl-ADP-ribose. Denne aktivitet blev først observeret i gær og blev udpeget med akronymet SIR (silent information regulator); senere blev det også demonstreret i nematoden Caenorhabditis elegans og i Drosophila melanogaster. Deres handling øger levetiden for disse organismer, især under forhold, hvor næringsstoffer i mediet er begrænset.
sirtuiner (SIRT) omfatter en familie på syv proteinmedlemmer (SIRT-1 til SIRT-7), som kan betragtes som en variant af ADP-ribosylaser. De bruger forskellige substrater, såsom histoner, p53-protein, transkriptionsfaktorer, nuklear faktor kB og andre. For eksempel inducerer histondeacetylering en mere kompakt struktur af kromatin, som fremmer genhæmning og beskytter kritiske områder af kromosomer, såsom telomerer og centrosomer. Deacetylering af protein p53 er vigtig for Genomisk stabilitet; det styrer cellecyklussen, DNA-reparation og apoptose. Deacetylering af p53 øger tilsyneladende dens stabilitet ved at blokere allestedsnærværende.
SIRT 1 er involveret i energisk metabolisme, oksidativ stressrespons, cellens aldring og beskyttelse af vaskulær endotel og nerver under forskellige patologiske tilstande.
nikotinamid frigivet fra NAD-afhængige DEACETYLERINGER virker som en potent hæmmer af sirtuins aktivitet og bidrager til dens regulering.
da virkningen af sirtuiner bidrager til forlængelsen af livet i nogle organismer, blev det antaget at være en generel forlængelsesfaktor. Der er dog ikke nok beviser endnu til at ekstrapolere disse resultater til højere dyr.
det antages, at opretholdelse af normale niveauer af poly-PARP-polymeraser og sirtuiner i cellerne kan forhindre eller forsinke carcinogenese og aldringsrelaterede lidelser.
produktet 2′-O-acetyl-ADP-ribose, der er resultatet af sirtuinaktivitet, fungerer som en anden messenger.
reaktioner, der ikke er relateret til protein posttranslationel modifikation, men kan betragtes som Varianter af ADP-ribosylering, genererer forbindelser med vigtig fysiologisk virkning: cyklisk ADP-ribose og nicotinsyre-ADP-ribosefosfat (NAADP) (se s. 669).