ADP-riboszilezés
hosszú ideig úgy vélték, hogy a NAD koenzim funkciója összefügg a redox reakciókban betöltött szerepével. Az elmúlt 20 évben azonban kísérleti bizonyítékok arra utaltak, hogy a NAD részt vesz az ADP-riboszilezési eseményekben.
a NAD-ban a ribóz C1′ és a nikotinamid N11 közötti glikozidos kötés hasításával nikotinamid és ADP-ribozil szabadul fel (ábra. 24.1). Ez lehet csatolni a különböző akceptor molekulák. Számos NAD-függő reakció ismert az ADP-ribóz (ADP-riboszilezés) átvitelére; mindegyik nagy funkcionális jelentőséggel bír.
24.1. ábra. ADP-ribóz.
Mono-ADP-ribosziláció. Ebben a poszttranszlációs módosításban a NAD-ból származó ADP ribozil átkerül egy akceptor fehérje aminoacil maradékába (arginin, cisztein, aszparagin vagy hisztidin). Meg kell jegyezni, hogy az ADP-ribozil-nikotinamid kötődése a NAD-ban nagy energiájú kötés; szakadása biztosítja azt az energiát, amely lehetővé teszi a reakciót. A mono-adenozin-difoszfát-ribozil-transzferáz (ART), amelyet kezdetben baktérium toxinokban, később eukarióta sejtekben írtak le, katalizálja a reakciót.
a kolera toxin elősegíti a mono-ADP-ribozil átvitelét a GS protein homogén alegységébe, és aktiválja azt. Ez az adenilát-cikláz stimulálásához, a ciklikus AMP szintek növekedéséhez és az ionszállító csatornák magasabb működéséhez vezet az enterociták luminális membránjában. Ez súlyos hasmenést okoz, amely a kolera toxin fertőzés jellegzetes tünete. A szamárköhögést okozó baktériumok által termelt pertussis toxin meghatározza a ciszteinil-maradékok ADP-riboszilezését, és leválasztja a g fehérjét a receptoráról. A Diphtheria toxin és a Pseudomonas exotoxin a 2-es nyúlási faktor (EF2) ADP-riboszilezésével leállítja a fehérjeszintézist. Clostridium toxin ADP-ribozilálja az aktin molekulákat és megakadályozza polimerizációját. Ezek a hatások azt mutatják, hogy a mono-ADP-riboszilezés jelentősen befolyásolja a módosított fehérje működését.
emberekben számos ADP-riboszilációs enzimet ismertek fel. Néhányat glikozil-foszfatidil-inozitol rögzít a plazmamembrán külső felületéhez (ektoenzimek), mások pedig a sejten belül vannak (endoenzimek).
a sejtekben található nad-ra ható ektoenzimek megállapítása feltűnő volt. Úgy gondolják, hogy ezek az enzimek a lizált sejtek által az intersticiális térbe kibocsátott NAD-t használják; alternatív megoldásként olyan csatornák létezését javasolták, amelyek lehetővé teszik a NAD kilépését a plazmamembránon keresztül. Az ektoenzimek funkcionálisan kapcsolódnak a myocyta differenciálódás modulációjához és más, immunválaszokkal és gyulladásos reakciókkal összefüggő folyamatokhoz, mint például a kemotaxis, a neutrofilek toborzása, a T-sejt citotoxicitás gátlása és a sejtadhézió.
az intracelluláris ARTs részt vesz a jelátviteli rendszerek szabályozásában, amelyekben a G fehérjék részt vesznek és ART szubsztrátként szolgálnak. A mono-ADP-riboszilezés befolyásolhatja a jelátvitelt és elősegítheti a különböző celluláris hatásokat. A protein transzláció gátlása, a Golgi-apparátus szabályozása és a citoszkeleton funkció ezeknek a poszttranszlációs módosításoknak az eredménye.
Poli-ADP-riboszilezés. Ez egy másik típusú poszttranszlációs módosítás, amelyet poli-adenozin-difoszfát-ribozil-polimerázok (PARP) katalizálnak. Tizennyolc PARP gént azonosítottak,de az ezen gének által kódolt összes enzimet nem jellemezték. A PARP kezdetben az ADP-ribozilt az akceptor fehérjében lévő glutamil-vagy aszpartilmaradékokhoz köti. Ezután folytatja az ADP-ribozil molekulák behelyezését, lineárisan összekapcsolva őket glikozidos 1 ‘
2 ‘ kötésekkel. Minden 40-50 egységnél elágazási pontok jönnek létre a fő láncban, 1’3′ kötések beillesztésével. A PARP auto-poli-ADP-riboszilezésen is áteshet; a PARP egyik fő szubsztrátja maga a PARP.
az ADP-ribóz polimerek erősen elektronegatívak és befolyásolják a módosított fehérje tulajdonságait. A fehérje negatív töltésének növekedése növeli az ADP-riboszilezett fehérje taszítását más polianionokkal, például DNS-sel; vagy vonzza a pozitív töltésű molekulákat, például a hisztonokat.
az ismert ADP-ribozil-polimerázok közül néhány a magban található. A PARP-1 és a PARP-2 a DNS-szálakban lévő hasadt helyek jelenlétével aktiválódik, amelyekhez a PARP kötődik. Ezek a hasadt helyek általában a DNS replikáció és javítás során fordulnak elő, vagy külső tényezők okozhatják. A PARP-3 gyakran kapcsolódik a centroszómához, a PARP-4 pedig a ribonukleoprotein részecskékhez. A PARP-7 és a PARP-10 részt vesz a hiszton riboszilezésben. A TNK – k és a TNK-2 szintén poli-ADP-ribozil-polimerázok, és kapcsolatban állnak a telomerekkel.
a bázikus fehérjék, például a hisztonok poli-ADP-riboszilezésével történő módosítása megváltoztatja a DNS-hiszton kölcsönhatásokat, valamint az intra – és internukleoszóma vonzásokat, elősegítve a lazább kromatin szerkezetet. Ez megkönnyíti a replikációs és replikációs folyamatokban részt vevő enzimek, köztük a helikáz, a topoizomeráz, a polimeráz és a ligáz DNS-hez való hozzáférését. A PARP-ADP-auto-poliribozilát hajlamos taszítani a közeli DNS-szálakat, mivel elektronegatív töltése növekszik, végül elválik.
a telomerekhez kapcsolódó PARP elősegíti a telomeráz aktivitását a kromoszóma megnyúlásában. Ezenkívül jelenlétük más DNS-szálak taszítására szolgál, és megakadályozza a rendellenességeket, például a transzlokációkat és a végpontok közötti vagy káros rekombinációs fúziókat.
egyes enzimek Poli-ADP-riboszilezése módosíthatja azok aktivitását; például stimulálhatja a DNS-ligázt és gátolhatja az endonukleázt, megakadályozva a DNS lebomlását.
a PARP részt vesz a kromatin szerkezetének szabályozásában, a transzkripcióban, a replikációban, a javításban, a DNS integritásának fenntartásában és a DNS-ligáz stimulálásában. A PARP aktivitás hiánya vagy csökkenése Genom instabilitáshoz vezet.
a centroszómákhoz kapcsolódó PARP hozzájárul a kromoszómák rendezett elválasztásához a mitózis során.
a PARP a sejtdifferenciálódásban és a fehérjék lebomlásában is részt vesz a programozott sejthalál során (apoptózis, 32.fejezet). A cselekvési mechanizmusokat még nem értik egyértelműen. A PARP gyulladásos jeleken keresztül közvetíti az apoptózist. Szabályozza az apoptózist indukáló faktor (aif) felszabadulását a mitokondriumokból. A legújabb tanulmányok azt is kimutatták, hogy összefüggés van a poli-ADP-riboszilezés és a poliubiquitináció között a fehérjék lebomlásának jelölésében.
sejtstressz esetén a PARP túlaktiválása a NAD és az ATP kimerüléséhez vezethet, ami pusztító következményekkel jár a sejtre nézve, ami a sejt nekrózisához vezet.
laboratóriumi állatokon végzett vizsgálatok kimutatták, hogy az ischaemiás állapotok, az agyban és a szívben, szeptikus sokk vagy súlyos gyulladásos folyamatok javulnak, ha a PARP gátolt. Valószínű, hogy ezeknek a megfigyeléseknek klinikai alkalmazásuk lesz; azonban először meg kell oldani a csökkent ADP-ribóz polimeráz aktivitás kihívását, amely Genom destabilizációhoz, mutációk felhalmozódásához, végül rosszindulatú transzformációhoz (karcinogenezis) vezet.
az ADP-ribóz polimereket a poli-ADP-ribóz glikohidroláz bontja le, amely szabad ADP-ribózt szabadít fel. Az ADP-ribóz-liáz felszabadítja a fehérjéhez kapcsolódó első egységet. A pirofoszfatáz elválasztja az AMP-t és a ribóz-foszfátot.
NAD-függő dezacetilezés. Van egy nad-függő deacetilázok fehérje családja, az úgynevezett sirtuinok, amelyek felszabadítják a nikotinamid csoportot a NAD-ból, és a fehérjéktől elválasztott acetátot ADP-ribozil akceptorként használják 2′-O-acetil-ADP-ribóz képződéséhez. Ezt az aktivitást először élesztőben figyelték meg, és Sir (silent information regulator) rövidítéssel jelölték; később a Caenorhabditis elegans fonálféregben és a Drosophila melanogaster-ben is kimutatták. Hatásuk növeli ezen organizmusok élettartamát, különösen olyan körülmények között, ahol a táptalaj tápanyagai korlátozottak.
a Sirtuinok (SIRT) hét fehérjetagból álló családot tartalmaznak (SIRT-1-től SIRT-7-ig), amely az ADP-riboszilázok egyik változatának tekinthető. Különböző szubsztrátumokat használnak, mint például hisztonok, p53 fehérje, transzkripciós faktorok, nukleáris faktor kB stb. Például a hiszton-dezacetilezés a kromatin kompaktabb szerkezetét indukálja, amely elősegíti a géncsendesítést és védi a kromoszómák kritikus területeit, például a telomereket és a centroszómákat. A p53 fehérje dezacetilezése fontos a genomi stabilitás szempontjából; szabályozza a sejtciklust, a DNS-helyreállítást és az apoptózist. A p53 dezacetilezése nyilvánvalóan növeli stabilitását az ubiquitináció blokkolásával.
a SIRT 1 részt vesz az energetikai anyagcserében, az oxidatív stresszválaszban, a sejtek öregedésében, valamint a vaszkuláris endothelia és az idegek védelmében különböző patológiás körülmények között.
a NAD-függő dezacetilezésekből felszabaduló nikotinamid a sirtuin aktivitásának hatékony inhibitoraként működik, hozzájárulva annak szabályozásához.
mivel a sirtuinok hatása hozzájárul az élet meghosszabbításához egyes organizmusokban, úgy gondolták, hogy ez általános meghosszabbítási tényező. Azonban még nincs elegendő bizonyíték arra, hogy ezeket az eredményeket magasabb állatokra extrapolálják.
úgy gondolják, hogy a poli-PARP polimerázok és a sirtuinok normál szintjének fenntartása a sejtekben megakadályozhatja vagy késleltetheti a karcinogenezist és az öregedéssel kapcsolatos rendellenességeket.
a sirtuin aktivitásból származó 2′-O-acetil-ADP-ribóz termék második hírvivőként működik.
olyan reakciók, amelyek nem kapcsolódnak a fehérje poszttranszlációs módosulásához, de az ADP-riboszilezés variánsainak tekinthetők, fontos fiziológiai hatású vegyületeket generálnak: ciklikus ADP-ribóz és nikotinsav-ADP-ribóz-foszfát (NAADP) (lásd 669. oldal).