rybozylacja ADP
przez długi czas uważano, że funkcja koenzymu NAD jest związana z jego rolą w reakcjach redoks. Jednak w ciągu ostatnich 20 lat eksperymentalne dowody sugerowały, że NAD uczestniczy w zdarzeniach ADP-rybozylacji.
w NAD, rozszczepienie wiązania glikozydowego między C1′ rybozy i N11 nikotynamidu uwalnia nikotynamid i ADP-rybozyl (Fig. 24.1). Może być przyłączony do różnych cząsteczek akceptora. Znane są liczne reakcje nad-zależne od przeniesienia ADP-rybozy (ADP-rybozylacja); wszystkie mają duże znaczenie funkcjonalne.
rysunek 24.1. ADP-ryboza.
mono-ADP-rybozylacja. W tej modyfikacji posttranslacyjnej rybozyl ADP z NAD jest przenoszony do reszty aminoacylowej (argininy, cysteiny, asparaginy lub histydyny)białka akceptora. Należy zauważyć, że Wiązanie nikotynamidu ADP-rybozylu w NAD jest wiązaniem wysokoenergetycznym; jego pęknięcie dostarcza energii, która umożliwia reakcję. Mono-adenozynodifosforan-rybosylotransferaza (ART), początkowo opisana w komórkach bakterii, a później w komórkach eukariotycznych, katalizuje reakcję.
Toksyna cholery sprzyja przenoszeniu mono-ADP-rybozylu do podjednostki α białka Gs i aktywuje je. Prowadzi to do stymulacji cyklazy adenylanowej, wzrostu cyklicznych poziomów AMP i wyższej funkcji kanałów transportu jonów w błonie luminalnej enterocytów. Powoduje to ciężką biegunkę, charakterystyczny objaw zakażenia toksyną cholery. Toksyna krztuśca (wytwarzana przez bakterie powodujące koklusz) determinuje ADP-rybozylację reszt cysteinylowych i oddziela Białko G z jego receptora. Toksyna błonicy i egzotoksyna Pseudomonas zatrzymują syntezę białek poprzez ADP-rybozylację czynnika elongacji 2 (EF2). ADP toksyny Clostridium-rybozyluje cząsteczki aktyny i zapobiega jej polimeryzacji. Działania te pokazują, że rybozylacja mono-ADP znacząco wpływa na funkcję zmodyfikowanego białka.
u ludzi rozpoznano kilka enzymów ADP-rybozylacyjnych. Niektóre są zakotwiczone przez glikozylo-fosfatydyloinozytol do zewnętrznej powierzchni błony plazmatycznej (ektoenzymy), a inne znajdują się w komórce (endoenzymy).
odkrycie ektoenzymów, które działają na NAD znajdujące się w komórkach, było uderzające. Uważa się, że enzymy te wykorzystują NAD uwalniane do przestrzeni śródmiąższowej przez lizowane komórki; alternatywnie zaproponowano istnienie kanałów, które umożliwiają wyjście NAD przez błonę plazmatyczną. Ektoenzymy są funkcjonalnie związane z modulacją różnicowania miocytów i innymi procesami związanymi z odpowiedziami immunologicznymi i zapalnymi, takimi jak chemotaksja, Rekrutacja neutrofili, hamowanie cytotoksyczności komórek T i adhezja komórek.
Sztuki wewnątrzkomórkowe biorą udział w regulacji systemów transdukcji sygnału, w których uczestniczą białka G i służą jako substraty sztuki. Rybozylacja mono-ADP może wpływać na sygnalizację i promować różne efekty komórkowe. Hamowanie translacji białek, Regulacja aparatu Golgiego i funkcji cytoszkieletu są wynikiem tych modyfikacji posttranslacyjnych.
Poli-ADP-rybozylacja. Jest to inny rodzaj modyfikacji posttranslacyjnej katalizowanej przez polimerazy poliadenozynodifosforanowo-rybozylowe (PARP). Zidentyfikowano osiemnaście genów PARP, ale nie wszystkie enzymy kodowane przez te geny zostały scharakteryzowane. PARP początkowo wiąże ADP-rybozyl z resztami glutamylowymi lub aspartylowymi w białku akceptora. Następnie kontynuuje wstawianie cząsteczek ADP-rybozylu, przyłączając je liniowo za pomocą wiązań glikozydowych 1′
2′. Co 40-50 jednostek, punkty rozgałęzień są tworzone w głównym łańcuchu, wstawiając wiązania 1′3′. PARP może również ulegać Auto-Poly-ADP-rybosylacji; jednym z głównych substratów PARP jest sam PARP.
polimery ADP-rybozy są wysoce elektroujemne i wpływają na właściwości zmodyfikowanego białka. Wzrost ładunku ujemnego białka zwiększa odpychanie ADP-rybozylowanego białka z innymi polianionami, takimi jak DNA; lub przyciąga dodatnio naładowane cząsteczki, takie jak histony.
wśród znanych polimeraz ADP-rybozylowych niektóre znajdują się w jądrze. PARP – 1 i PARP-2 są aktywowane przez obecność rozszczepionych miejsc w nici DNA, z którymi wiąże się PARP. Te rozszczepione miejsca zwykle występują podczas replikacji i naprawy DNA lub mogą być spowodowane przez czynniki zewnętrzne. PARP-3 jest często związany z centrosomem, a PARP-4 jest związany z cząstkami rybonukleoproteinowymi. PARP-7 i PARP-10 biorą udział w rybozylacji histonów. TNKS i TNKS-2 są również polimerazami Poli-ADP-rybozylowymi i są związane z telomerami.
modyfikacja przez Poli-ADP-rybozylację podstawowych białek, takich jak histony, zmienia interakcje DNA-Histon, a także wewnątrz – i internukleosomowe atrakcje, promując luźniejszą strukturę chromatyny. Ułatwia to dostęp do DNA enzymów biorących udział w procesach replikacji i naprawy, w tym helikazy, topoizomerazy, polimerazy i ligazy. PARP-ADP-auto-polyribosylate ma tendencję do odpychania pobliskich nici DNA, gdy zwiększa się jego ładunek elektroujemny, a w końcu oddziela.
PARP związany z telomerami promuje aktywność telomerazy w wydłużaniu chromosomów. Ponadto ich obecność służy do odpychania innych nici DNA i zapobiegania nieprawidłowościom, takim jak translokacje I end-to-end lub szkodliwe Fuzje rekombinacji.
Poli-ADP-rybozylacja niektórych enzymów może modyfikować ich aktywność; na przykład może stymulować ligazę DNA i hamować endonukleazę, zapobiegając degradacji DNA.
PARP zajmuje się regulacją struktury chromatyny, transkrypcją, replikacją, naprawą, utrzymaniem integralności DNA i stymulacją ligazy DNA. Brak lub spadek aktywności PARP prowadzi do niestabilności genomu.
PARP związany z centrosomami przyczynia się do uporządkowanego oddzielania chromosomów podczas mitozy.
PARP bierze również udział w różnicowaniu komórek i degradacji białek podczas programowanej śmierci komórki (apoptoza, Rozdział 32). Mechanizmy działania nie są jeszcze jasno poznane. PARP pośredniczy w apoptozie poprzez sygnały prozapalne. Kontroluje uwalnianie czynnika indukującego apoptozę (AIF) z mitochondriów. Ostatnie badania wykazały również związek między Poli-ADP-rybozylacji i poliubiquitination w etykietowaniu białek do degradacji.
w przypadkach stresu komórkowego, nadaktywność PARP może prowadzić do wyczerpania NAD i ATP, z niszczącymi konsekwencjami dla komórki, które kończą się martwicą komórek.
badania na zwierzętach laboratoryjnych wykazały, że Warunki niedokrwienne mózgu i serca, wstrząs septyczny lub ciężkie procesy zapalne ulegają poprawie, gdy hamowany jest PARP. Jest prawdopodobne, że te obserwacje będą miały zastosowanie kliniczne; jednak wyzwanie zmniejszonej aktywności polimerazy ADP-rybozy prowadzące do destabilizacji genomu, nagromadzenia mutacji i ostatecznie do transformacji złośliwej (rakotwórczości), musi być najpierw rozwiązane.
polimery ADP-rybozy są rozkładane przez glikohydrolazę Poli-ADP-rybozy, która uwalnia wolną ADP-rybozę. Liaza ADP-ryboza uwalnia pierwszą jednostkę przyłączoną do białka. Pirofosfataza oddziela AMP I fosforan rybozy.
deacetylacja zależna od NAD. Istnieje białkowa rodzina deacetylaz nad-zależnych, zwanych sirtuinami, które uwalniają grupę nikotynamidową z NAD i wykorzystują octan oddzielony od białek jako akceptor ADP-rybozylu, tworząc 2 ’ -o-Acetylo-ADP-rybozę. Aktywność ta została po raz pierwszy zaobserwowana u drożdży i została oznaczona skrótem SIR( silent information regulator); później wykazano ją również u nicienia Caenorhabditis elegans i U Drosophila melanogaster. Ich działanie zwiększa żywotność tych organizmów, szczególnie w warunkach, w których substancje odżywcze w pożywce są ograniczone.
sirtuiny (SIRT) obejmują rodzinę siedmiu białek (SIRT-1 do SIRT-7), które można uznać za wariant ADP-rybozylazy. Wykorzystują różne substraty, takie jak histony, białko p53, czynniki transkrypcyjne, czynnik jądrowy kB i inne. Na przykład deacetylacja histonów indukuje bardziej zwartą strukturę chromatyny, co sprzyja wyciszaniu genów i chroni krytyczne obszary chromosomów, takie jak telomery i centrosomy. Deacetylacja białka p53 jest ważna dla stabilności genomu; kontroluje cykl komórkowy, naprawę DNA i apoptozę. Deacetylacja p53 najwyraźniej zwiększa jego stabilność poprzez blokowanie ubikwitynacji.
SIRT 1 bierze udział w metabolizmie energetycznym, reakcji na stres oksydacyjny, starzeniu komórek i ochronie endothelii naczyniowej i nerwów w różnych warunkach patologicznych.
nikotynamid uwalniany z deacetylacji zależnych od NAD działa jako silny inhibitor aktywności sirtuiny, przyczyniając się do jej regulacji.
ponieważ działanie sirtuin przyczynia się do wydłużenia życia w niektórych organizmach, uważano, że jest to ogólny czynnik wydłużenia życia. Jednak nie ma jeszcze wystarczających dowodów, aby ekstrapolować te wyniki na wyższe zwierzęta.
uważa się, że utrzymanie prawidłowego poziomu polimeraz poly-PARP i sirtuin w komórkach może zapobiegać lub opóźniać karcynogenezę i zaburzenia związane ze starzeniem się.
produkt 2 ’ -o-Acetylo-ADP-ryboza, wynikający z aktywności sirtuiny, działa jako drugi przekaźnik.
reakcje, które nie są związane z modyfikacją posttranslacyjną białka, ale można je uznać za warianty ADP-rybozylacji, wytwarzają związki o ważnym działaniu fizjologicznym: cykliczne ADP-ryboza i kwas nikotynowy-ADP-ryboza-fosforan (NAADP) (patrz S. 669).