ADP-ribosylering
lange tijd werd aangenomen dat de functie van het coenzym nad gerelateerd was aan zijn rol in redoxreacties. Nochtans, in de laatste 20 jaar, stelde het experimentele bewijsmateriaal voor dat NAD in ADP-ribosylation gebeurtenissen participeert.
bij NAD geeft de splitsing van de glycosidebinding tussen de C1′ van ribose en N11 van nicotinamide nicotinamide en ADP-ribosyl vrij (Fig. 24.1). Dit kan aan een verscheidenheid van acceptormolecules worden verbonden. Talrijke nad-afhankelijke reacties voor de overdracht van ADP-ribose (ADP-ribosylatie) zijn gekend; allen zijn van groot functioneel belang.
figuur 24.1. ADP-ribose.
Mono-ADP-ribosylatie. In deze posttranslationele wijziging, wordt de ADP ribosyl van NAD overgebracht naar een aminoacylresidu (arginine, cysteine, asparagine, of histidine) van een acceptorproteã ne. Opgemerkt moet worden dat de binding van de ADP-ribosyl nicotinamide in NAD een hoge energiebinding is; de breuk levert de energie die de reactie mogelijk maakt. Mono-adenosinedifosfaat-ribosyltransferase (ART), aanvankelijk beschreven in bacteriën toxines en later in eukaryotic cellen, katalyseert de reactie.Choleratoxine bevordert de overdracht van mono-ADP-ribosyl naar de α-subeenheid van Gs-eiwit en activeert dit. Dit leidt tot stimulatie van adenylate cyclase, verhoging van cyclisch AMP niveaus, en hogere functie van ionentransportkanalen in het Luminal membraan van enterocytes. Dit Veroorzaakt ernstige diarree, een karakteristiek symptoom van choleratoxine infectie. De pertussis toxine (geproduceerd door de bacteriën die kinkhoest veroorzaken) bepaalt de ADP-ribosylering van cysteïnylresiduen en ontkoppelt g-eiwit van zijn receptor. Difterie toxine en Pseudomonas exotoxine stoppen de eiwitsynthese door ADP-ribosylering van elongatie factor 2 (EF2). Clostridium toxine ADP-ribosylates actin molecules en verhindert zijn polymerisatie. Deze acties tonen aan dat de mono-ADP-ribosylatie duidelijk de functie van de gewijzigde proteã ne beïnvloedt.
bij de mens zijn verschillende ADP-ribosyleringsenzymen herkend. Sommigen zijn verankerd door glycosyl-phosphatidylinositol aan de buitenoppervlakte van het plasmamembraan (ectoenzymes) en anderen zijn binnen de cel (endoenzymes).
het vinden van ectoenzymes die op NAD in de cellen inwerken was opvallend. Men gelooft dat deze enzymen NAD gebruiken die in de interstitiële ruimte door lysed cellen wordt vrijgegeven; alternatief, is het bestaan van kanalen die de uitgang van NAD door het plasmamembraan toestaan voorgesteld. De ectoenzymes worden functioneel geassocieerd met de modulatie van myocyte differentiatie en andere processen geassocieerd met immune en ontstekingsreacties, zoals chemotaxis, rekrutering van neutrofielen, remming van T-cel cytotoxiciteit, en celadhesie.Intracellular Art zijn betrokken bij de regulatie van signaaltransductiesystemen waarbij g-eiwitten betrokken zijn en dienen als ART-substraten. Mono-ADP-ribosylation kan signaleren beà nvloeden en diverse cellulaire gevolgen bevorderen. Remming van de eiwitvertaling, regulatie van het Golgi-apparaat en cytoskeletfunctie zijn het resultaat van deze posttranslationele wijzigingen.
Poly-ADP-ribosylering. Dit is een ander type posttranslational wijziging gekatalyseerd door poly-adenosinedifosfaat-ribosyl polymerases (PARP). Achttien PARP genen zijn geà dentificeerd, maar niet alle enzymen gecodeerd door deze genen zijn gekarakteriseerd. PARP bindt aanvankelijk ADP-ribosyl aan glutamyl-of aspartylresiduen in het acceptoreiwit. Vervolgens blijft het ADP-ribosylmoleculen invoegen, die lineair worden bevestigd door glycoside-1′
2′ – bindingen. Bij elke 40-50 eenheden worden vertakkingspunten in de hoofdketen gecreëerd, waarbij 1′3′ bindingen worden ingevoegd. PARP kan ook auto-poly-ADP-ribosylatie ondergaan; één van de belangrijkste substraten van PARP is PARP zelf.
ADP-ribose polymeren zijn zeer elektronegatief en beïnvloeden de eigenschappen van het gemodificeerde eiwit. De verhoging van de eiwitnegatieve Last vergroot de afstoting van de ADP-ribosylated proteã ne met andere polyanionen, zoals DNA; of trekt positief geladen moleculen aan, zoals histonen.
van de bekende ADP-ribosylpolymerasen bevinden sommige zich in de kern. PARP-1 en PARP-2 worden geactiveerd door de aanwezigheid van gespleten plaatsen in de bundels van DNA, waaraan PARP bindt. Deze gespleten plaatsen komen gewoonlijk tijdens de replicatie en de reparatie van DNA voor, of kunnen door externe agenten worden veroorzaakt. PARP-3, wordt vaak geassocieerd met centrosome en PARP-4 wordt geassocieerd met ribonucleoproteindeeltjes. PARP-7 en PARP-10 zijn betrokken bij histonribosylatie. TNKS en TNKS-2 zijn ook poly-ADP-ribosylpolymerases en zij worden geassocieerd met telomeren.
de modificatie door poly-ADP-ribosylering van basiseiwitten, zoals histonen, verandert DNA-Histon – interacties en intra-en internucleosoomaantrekkingen, waardoor een lossere chromatinestructuur wordt bevorderd. Dit vergemakkelijkt toegang tot DNA van enzymen betrokken bij de processen van replicatie en reparatie, met inbegrip van helicase, topoisomerase, polymerase, en ligase. PARP-ADP-auto-polyribosylate neigt om nabijgelegen bundels van DNA af te stoten aangezien zijn elektronegatieve Last toeneemt, en tenslotte scheidt.
PARP geassocieerd met telomeren bevordert de telomeraseactiviteit in chromosoom elongatie. Voorts dient hun aanwezigheid om andere bundels van DNA af te stoten en abnormaliteiten, zoals translocaties en end-to-end of schadelijke nieuwe combinatie fusies te verhinderen.
Poly-ADP-ribosylering van sommige enzymen kan hun activiteit wijzigen; het kan bijvoorbeeld DNA-ligase stimuleren en endonuclease remmen, waardoor DNA-afbraak wordt voorkomen.
PARP is betrokken bij de regulering van de chromatinestructuur, transcriptie, replicatie, reparatie, behoud van de integriteit van DNA en stimulatie van DNA-ligase. De afwezigheid of afname van PARP-activiteit leidt tot instabiliteit van het genoom.
PARP geassocieerd met centrosomen draagt bij tot een ordelijke scheiding van chromosomen tijdens mitose.PARP is ook betrokken bij celdifferentiatie en eiwitafbraak tijdens geprogrammeerde celdood (apoptose, hoofdstuk 32). De werkingsmechanismen zijn nog niet duidelijk begrepen. PARP bemiddelt apoptose door pro-inflammatoire signalen. Het controleert de versie van de apoptosis veroorzakende factor (AIF) van mitochondria. De recente studies hebben ook een verband tussen poly-ADP-ribosylation en polyubiquitination in het etiketteren proteã nen voor degradatie getoond.
in gevallen van celstress kan overactivatie van PARP leiden tot depletie van NAD en ATP, met verwoestende gevolgen voor de cel die eindigen in celnecrose.
Studies bij proefdieren hebben aangetoond dat ischemische aandoeningen in de hersenen en het hart, bij septische shock of ernstige ontstekingsprocessen verbeteren wanneer PARP wordt geremd. Het is waarschijnlijk dat deze waarnemingen klinische toepassing zullen hebben; echter, de uitdaging van verminderde activiteit van ADP-ribose polymerase die tot destabilisatie van het genoom, accumulatie van veranderingen, en uiteindelijk tot maligne transformatie (carcinogenese) leidt, moet eerst worden opgelost.
de ADP-ribose polymeren worden afgebroken door de poly-ADP-ribose glycohydrolase, die vrije ADP-ribose vrijmaakt. Een ADP-ribose lyase geeft de eerste eenheid in bijlage aan de proteã ne vrij. Pyrofosfatase scheidt AMP en ribose fosfaat.
nad-afhankelijke deacetylering. Er is een eiwitfamilie van nad-afhankelijke deacetylases genoemd sirtuins, die de nicotinamidegroep van NAD vrijgeven en acetaat gebruiken gescheiden van proteã nen als ADP-ribosylacceptor om 2′-o-acetyl-ADP-ribose te vormen. Deze activiteit werd voor het eerst waargenomen in gist en werd aangeduid met het acroniem SIR (silent information regulator); later werd het ook aangetoond in de nematode Caenorhabditis elegans en in Drosophila melanogaster. Hun werking verhoogt de levensduur van deze organismen, met name in omstandigheden waar voedingsstoffen in het medium beperkt zijn.
Sirtuinen (SIRT) vormen een familie van zeven proteïne-leden (SIRT-1 tot en met SIRT-7), die kunnen worden beschouwd als een variant van ADP-ribosylasen. Zij gebruiken diverse substraten, zoals histones, p53 proteã ne, transcriptiefactoren, nucleaire factor kB, en anderen. Bijvoorbeeld, veroorzaakt histone deacetylation een compactere structuur van chromatin, die gen het tot zwijgen brengen bevordert en kritieke gebieden van chromosomen, zoals telomeren en centrosomen beschermt. Deacetylation van proteã ne p53 is belangrijk voor genomic stabiliteit; Het controleert de celcyclus, de reparatie van DNA, en apoptosis. Deacetylation van p53 verhoogt blijkbaar zijn stabiliteit door ubiquitination te blokkeren.SIRT 1 is betrokken bij energetisch metabolisme, oxidatieve stressrespons, cel senescentie en bescherming van vasculaire endothelia en zenuwen onder verschillende pathologische omstandigheden.
Nicotinamide die vrijkomt uit nad-afhankelijke deacetylaties werkt als een krachtige remmer van de activiteit van sirtuin en draagt bij tot de regulatie ervan.
aangezien de werking van sirtuinen bijdraagt tot de verlenging van het leven in sommige organismen, werd aangenomen dat het een algemene verlengingsfactor is. Er is echter nog niet genoeg bewijs om deze resultaten te extrapoleren naar hogere dieren.Aangenomen wordt dat het behoud van normale niveaus van poly-PARP-polymerasen en sirtuinen in de cellen carcinogenese en verouderingsgerelateerde aandoeningen kan voorkomen of vertragen.
het product 2 ‘ – o-acetyl-ADP-ribose, dat voortvloeit uit de activiteit van sirtuin, functioneert als een tweede boodschapper.
reacties die geen verband houden met posttranslationele eiwitmodificatie, maar als varianten van ADP-ribosylering kunnen worden beschouwd, genereren verbindingen met een belangrijke fysiologische werking: cyclisch ADP-ribose en nicotinezuur-ADP-ribosefosfaat (NAADP) (zie blz. 669).