ADP-ribosylaatio
pitkään koentsyymi NAD: n toiminnan uskottiin liittyvän sen rooliin redox-reaktioissa. Viimeisten 20 vuoden aikana kokeelliset todisteet kuitenkin viittasivat siihen, että NAD osallistuu ADP-ribosylaatiotapahtumiin.
NAD: ssä riboosin C1′: n ja nikotiiniamidin N11: n välisen glykosidisidoksen katkeaminen vapauttaa nikotiiniamidia ja ADP-ribosyyliä (Kuva. 24.1). Tämä voidaan liittää erilaisiin acceptor-molekyyleihin. ADP-riboosin siirrossa (ADP-ribosylaatio) tunnetaan lukuisia NAD-riippuvia reaktioita, joilla kaikilla on suuri toiminnallinen merkitys.
Kuva 24.1. ADP-riboose.
Mono-ADP-ribosylaatio. Tässä translaation jälkeisessä muunnoksessa NAD: n ADP-ribosyyli siirtyy acceptor-proteiinin aminoasyylijäämään (arginiini, kysteiini, asparagiini tai histidiini). On huomattava, että ADP-ribosyylinikotinamidin sitoutuminen NAD: hen on korkean energian sidos; sen repeämä tuottaa energiaa, joka mahdollistaa reaktion. Mono-adenosinedifosfaatti-ribosyylitransferaasi (ART), jota on aluksi kuvattu bakteeritoksiineissa ja myöhemmin eukaryoottisoluissa, katalysoi reaktiota.
Koleratoksiini edistää mono-ADP-ribosyylin siirtymistä GS-proteiinin α-alayksikköön ja aktivoi sen. Tämä johtaa adenylaattisyklaasin stimulaatioon, syklisten AMP-tasojen kasvuun ja ionin kuljetuskanavien suurempaan toimintaan enterosyyttien luminaalikalvossa. Tämä aiheuttaa vakavan ripulin, joka on koleratoksiinitartunnan tyypillinen oire. Hinkuyskää aiheuttavien bakteerien tuottama hinkuyskätoksiini määrittää kysteinyylijäämien ja sen reseptorista irtoavan G-proteiinin ADP-ribosylaation. Difteriatoksiini ja Pseudomonas-eksotoksiini pysäyttävät proteiinisynteesin venymätekijä 2: n (EF2) ADP-ribosylaatiolla. Clostridiumtoksiini ADP-ribosyloi aktiinimolekyylejä ja estää sen polymeroitumisen. Nämä vaikutukset osoittavat, että mono-ADP-ribosylaatio vaikuttaa merkittävästi muunnetun proteiinin toimintaan.
ihmisillä on tunnistettu useita ADP-ribosylaatioentsyymejä. Osa kiinnittyy glykosyylifosfatidyyliinositolin avulla plasman kalvon ulkopintaan (ektoentsyymeihin) ja osa solun sisällä (endoentsyymeihin).
solujen sisällä sijaitsevaan NAD: hen vaikuttavien ectoentsyymien löytyminen oli silmiinpistävää. Näiden entsyymien uskotaan käyttävän lysähtäneiden solujen interstitiaalitilaan vapauttamaa NAD: tä; vaihtoehtoisesti on ehdotettu sellaisten kanavien olemassaoloa, jotka mahdollistavat NAD: n poistumisen plasmakalvon läpi. Ectoentsyymit liittyvät toiminnallisesti myoksyyttien erilaistumisen modulaatioon ja muihin immuuni-ja tulehdusvasteisiin liittyviin prosesseihin, kuten kemotaksiin, neutrofiilien rekrytointiin, T-solujen sytotoksisuuden estoon ja solujen adheesioon.
solunsisäiset taiteet osallistuvat signaalinsiirtojärjestelmien säätelyyn, joissa g-proteiinit ovat mukana ja toimivat ART-substraatteina. Mono-ADP-ribosylaatio voi vaikuttaa signalointiin ja edistää erilaisia soluvaikutuksia. Proteiinin translaation estäminen, Golgi-laitteen säätely ja sytoskeletonin toiminta ovat seurausta näistä translaation jälkeisistä muutoksista.
Poly-ADP-ribosylaatio. Tämä on toinen posttranslationaalinen muunnos, jota katalysoivat poly-adenosinedifosfaatti-ribosyylipolymeraasit (PARP). PARP-geenejä on tunnistettu kahdeksantoista, mutta kaikkia näiden geenien koodaamia entsyymejä ei ole pystytty luonnehtimaan. PARP sitoutuu aluksi ADP-ribosyyliin glutamyyli-tai aspartyylijäämiin acceptor-proteiinissa. Tämän jälkeen se jatkaa ADP-ribosyylimolekyylien liittämistä toisiinsa lineaarisesti glykosidisilla 1′
2′ – sidoksilla. 40-50 yksikön välein pääketjuun syntyy haarapisteitä, joihin lisätään 1′3 ’ sidosta. PARP voi myös suorittaa auto-poly-ADP-ribosylaation; yksi PARP: n tärkeimmistä substraateista on PARP itse.
ADP-riboosipolymeerit ovat hyvin elektronegatiivisia ja vaikuttavat modifioidun proteiinin ominaisuuksiin. Proteiininegatiivisen varauksen lisääntyminen lisää ADP-ribosyloidun proteiinin inhibitiota muiden polyanionien, kuten DNA: n kanssa; tai vetää puoleensa positiivisesti varautuneita molekyylejä, kuten histoneja.
tunnetuista ADP-ribosyylipolymeraaseista osa sijaitsee tumassa. PARP-1 ja PARP-2 aktivoituvat, kun DNA-säikeissä on katkenneita kohtia, joihin PARP sitoutuu. Nämä pilkkoutuneet paikat tapahtuvat yleensä DNA: n replikaation ja korjauksen aikana, tai ne voivat johtua ulkoisista tekijöistä. PARP-3 liittyy usein centrosomiin ja PARP-4 ribonukleoproteiinihiukkasiin. PARP-7 ja PARP-10 osallistuvat histonin ribosylaatioon. Tnks ja TNKS-2 ovat myös poly-ADP-ribosyylipolymeraaseja ja ne liittyvät telomeereihin.
perusproteiinien, kuten histonien, Poly-ADP-ribosylaatiolla tapahtuva modifikaatio muuttaa DNA: n ja histonin välisiä vuorovaikutuksia sekä intra-ja internukleosomin houkutuksia, mikä edistää löyhempää kromatiinirakennetta. Tämä helpottaa pääsyä DNA entsyymien mukana prosesseja replikaatio ja korjaus, mukaan lukien helikaasi, topoisomeraasi, polymeraasi, ja ligaasi. PARP-ADP-auto-polyribosylaatti pyrkii hylkimään lähellä olevia DNA-juosteita, kun sen elektronegatiivinen varaus kasvaa ja lopulta irtoaa.
telomeereihin liittyvä PARP edistää telomeraasiaktiivisuutta kromosomien venymässä. Lisäksi niiden läsnäolo torjuu muita DNA-säikeitä ja estää poikkeavuuksia, kuten translokaatioita ja päästä päähän tai haitallisia rekombinaatiosumutuksia.
joidenkin entsyymien Poly-ADP-ribosylaatio voi muuttaa niiden toimintaa; se voi esimerkiksi stimuloida DNA-ligaasia ja estää endonukleaasia estäen DNA: n hajoamista.
PARP osallistuu kromatiinin rakenteen säätelyyn, transkriptioon, replikaatioon, DNA: n eheyden korjaamiseen, ylläpitoon ja DNA-ligaasin stimulointiin. PARP-aktiivisuuden puuttuminen tai väheneminen johtaa perimän epävakauteen.
centrosomeihin liittyvä PARP edistää kromosomien järjestelmällistä erottumista mitoosin aikana.
PARP osallistuu myös solujen erilaistumiseen ja proteiinien hajoamiseen ohjelmoidun solukuoleman aikana (apoptoosi, Luku 32). Toimintamekanismit eivät ole vielä selvillä. PARP välittää apoptoosia proinflammatoristen signaalien kautta. Se ohjaa apoptoosia indusoivan tekijän (AIF) vapautumista mitokondrioista. Viimeaikaiset tutkimukset ovat myös osoittaneet poly-ADP-ribosylaation ja polyubikvitinaation välisen suhteen proteiinien merkitsemisessä hajoamiseen.
solustressissä PARP: n yliaktivoituminen voi johtaa NAD: n ja ATP: n ehtymiseen, millä on tuhoisia seurauksia solulle, jotka päättyvät solunekroosiin.
koe-eläimillä tehdyt tutkimukset ovat osoittaneet, että aivojen ja sydämen iskeemiset tilat, septinen sokki tai vaikeat tulehdusprosessit paranevat PARP: n estyessä. On todennäköistä, että näillä havainnoilla on kliininen sovellus; kuitenkin, haaste vähentää ADP-riboosi polymeraasi aktiivisuus johtaa genomin epävakautta, kertyminen mutaatioita, ja lopulta pahanlaatuinen transformaatio (karsinogeneesi), on ensin ratkaistava.
ADP-riboosipolymeerit hajoavat poly-ADP-riboosiglykolohydrolaasilla, jolloin vapautuu vapaata ADP-riboosia. ADP-riboosilyaasi vapauttaa proteiiniin kiinnittyneen ensimmäisen yksikön. Pyrofosfataasi erottaa AMP-ja riboosifosfaatin.
NAD-riippuvainen deasetylaatio. On olemassa nad-riippuvaisten deasetylaasien proteiiniperhe nimeltä sirtuiinit, jotka vapauttavat nikotiiniamidiryhmän NAD: stä ja hyödyntävät proteiineista erotettua asetaattia ADP-ribosyyliseptorina muodostaen 2′-O-asetyyli-ADP-riboosia. Tämä vaikutus havaittiin ensin hiivassa, ja siitä käytettiin lyhennettä SIR (silent information regulator); myöhemmin se osoitettiin myös sukkulamato Caenorhabditis elegansissa ja Drosophila melanogasterissa. Niiden toiminta lisää näiden eliöiden elinikää erityisesti olosuhteissa, joissa väliaineen ravinteet ovat rajoitettuja.
SIRTUIINIT (SIRT) muodostavat seitsemän proteiinijäsenen perheen (SIRT-1-SIRT-7), jota voidaan pitää ADP-ribosylaasien muunnoksena. He käyttävät erilaisia substraatteja, kuten histoneja, p53-proteiinia, transkriptiotekijöitä, ydintekijää kB ja muita. Esimerkiksi histonin deasetylaatio indusoi kromatiinin kompaktimman rakenteen, joka edistää geenien hiljentymistä ja suojaa kromosomien kriittisiä alueita, kuten telomeerejä ja sentrosomeja. Proteiinin p53 deasetylaatio on tärkeää genomin stabiilisuuden kannalta; se ohjaa solusykliä, DNA: n korjausta ja apoptoosia. P53: n deasetylaatio ilmeisesti lisää sen stabiilisuutta estämällä ubikitinaation.
SIRT 1 osallistuu energeettiseen metaboliaan, oksidatiiviseen stressivasteeseen, solujen vanhenemiseen sekä verisuonten endoteelien ja hermojen suojaamiseen erilaisissa patologisissa olosuhteissa.
NAD-riippuvaisesta deasetylaatiosta vapautuva nikotiiniamidi toimii voimakkaana sirtuiinin toiminnan estäjänä ja edistää sen säätelyä.
koska sirtuiinien toiminta edistää eliniän pidentymistä joillakin eliöillä, sen ajateltiin olevan yleinen elinikää pidentävä tekijä. Ei kuitenkaan ole vielä riittävästi todisteita, jotta nämä tulokset voitaisiin ekstrapoloida korkeampiin eläimiin.
uskotaan, että poly-PARP-polymeraasien ja sirtuiinien normaalin pitoisuuden säilyttäminen soluissa saattaa ehkäistä tai viivyttää karsinogeneesiä ja ikääntymiseen liittyviä häiriöitä.
sirtuiiniaktiivisuudesta syntyvä tuote 2′-O-asetyyli-ADP-riboosi toimii toisena viestinviejänä.
reaktiot, jotka eivät liity proteiinin translaation jälkeiseen modifiointiin, mutta joita voidaan pitää ADP-ribosylaation variantteina, tuottavat yhdisteitä, joilla on tärkeä fysiologinen vaikutus: syklinen ADP-riboosi ja nikotiinihappo-ADP-riboosifosfaatti (NAADP) (KS. s.669).