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二磷酸腺苷核糖基化

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二磷酸腺苷核糖（ADP-核糖）

二磷酸腺苷核糖基化（英语：ADP-ribosylation）简称ADP-核糖基化，是将额外的单个或多个二磷酸腺苷核糖（ADP核糖）基团添加到蛋白质的氨基酸残基上的转译后修饰过程，会影响蛋白质的功能。[1][2]；例如将NAD中的ADP核糖基部分与某些蛋白质的氨基酸残基发生共价连接的反应。这一过程可逆，涉及许多细胞中的过程，包括细胞信号传送、DNA修复、基因表达调控和细胞凋亡[3][4]。

异常的ADP-核糖基化已被证明和一些癌症相关[5]。它也是来自细菌的毒素之致病机理，如霍乱毒素、白喉毒素等[6]。

历史

ADP-核糖基化是在1960年代初期被第一次提出。 当时， Pierre Chambon及其同事观察到母鸡的肝的细胞核提取物中有ATP的嵌入。 [7] 在几个不同的实验室对不溶于酸的部分进行了广泛研究之后，发现ADP-核糖的嵌入是源自于NAD+ 作为辅因子。 几年后，确定了引起这种嵌入的酶，并将其命名为聚(ADP-核糖)聚合酶(Poly (ADP-ribose) glycohydrolase)。起初，该基团被认为是透过核糖糖苷键(ribose glycosidic bond)将ADP-核糖的单元间以线性地共价结合。后来发现，其每20至30个ADP残基就会发生分支。 [8]

首次发现单-ADP-核糖基化，是在一年后的毒素研究期间：发现白喉棒状杆菌的白喉毒素是依赖NAD +，使其完全活化，从而发现了单-ADP-核糖基转移酶(mono-ADP-ribosyl transferase)催化单个ADP结合。

最初认为ADP-核糖基化是仅涉及基因调控的转译后修饰 。 然而，随著发现更多具有ADP-核糖基化蛋白能力的酶，ADP-核糖基化的多功能性质变得显而易见。在1980年代后期发现了第一个具有聚ADP-核糖转移酶活性的哺乳动物酶。在接下来的15年中，它被认为是能够在哺乳动物细胞中添加ADP-核糖链的唯一酶。 [9] 在1980年代后期，发现了ADP-核糖基环化酶，该酶在蛋白质上添加环ADP核糖(Cyclic ADP-ribose)。 最后，还发现了sirtuins，也一样具有单ADP-核糖基转移酶活性 ，同时是个以NAD +作为辅因子脱酰基酶。 [10] [11]

催化机制

ADP核糖基化的机制，催化酶的残基为蓝色。

大多数执行此修饰的酶的ADP-核糖来源是氧化还原辅因子NAD + 。 在该转移反应中，连接ADP-核糖分子和烟酰胺(nicotinamide)基团的NAD +的N-糖苷键被裂解，随后被目标氨基酸侧链亲核攻击 。 ADP-核糖基转移酶可以进行两种类型的修饰：单-ADP核糖基化和聚-ADP核糖基化。

单-ADP-核糖基化

单-ADP核糖基转移酶通常使用高度保守的RS-EXE酶基元催化将ADP-核糖添加至精胺酸侧链。 [12] 反应是通过破坏烟酰胺和核糖之间的键来进行的，从而形成氧𬭩离子 。 接下来，靶蛋白的精氨酸侧链随后发挥亲核试剂的作用，攻击与氧离子相邻的亲电子碳。为了使该步骤发生，精氨酸亲核试剂被催化酶上的麸氨酸残基去质子化 。另一个保守的麸氨酸残基与核糖链上的一个羟基形成氢键，以进一步促进这种亲核攻击。裂解反应的结果，烟酰胺被释放。该修饰可以通过ADP-核糖基水解酶逆转，该酶裂解精氨酸和核糖之间的N-糖苷键以释放ADP-核糖和未修饰的蛋白质。 NAD +不能通过逆反应恢复。

聚ADP-核糖基化

聚（ADP-核糖） 聚合酶 （PARP）主要存在于真核生物中，并催化多个ADP-核糖分子转移至靶蛋白。与单ADP核糖基化一样，ADP核糖的来源为NAD + 。 PARPs使用His-Tyr-Glu 催化三联体来促进NAD +的结合以及目标蛋白上现有聚ADP核糖链末端的定位。 Glu促进了两个核糖分子之间的催化并形成（1-> 2）O-糖苷键。还有其他几种酶可以识别聚ADP核糖链， 水解它们或形成分支。其中包含广义定义的800多种蛋白质聚有ADP-核糖结合基序；因此，除了这种修饰能改变目标蛋白的构型和结构之外，它还可以用作标签以募集其他蛋白或调节目标蛋白。[13]

氨基酸特异性

最初，酸性氨基酸(麸氨酸和天冬氨酸 )被描述为ADP-核糖基化的主要位点。然而许多的ADP核糖受体位点，例如丝氨酸 [14] [15]， 精氨酸 [16] ，半胱氨酸 [17] ，赖氨酸 [18] ，二乙酰胺[19]， 磷酸丝氨酸[20]，和天冬酰胺[21]也在随后的研究中被发现。

功能

细胞凋亡

在DNA损伤或细胞受到压力期间，PARP会被激活，导致聚ADP-核糖量增加，而NAD +量减少。 [22] 十多年来，人们一直认为PARP1是哺乳动物细胞中唯一的聚ADP-核糖聚合酶，因此对该酶的研究最多。 胱天蛋白酶是半胱氨酸家族蛋白酶已知会起到至关重要的细胞程序性死亡 。 该蛋白酶将PARP-1切割成两个片段，使其完全失活，从而限制了聚ADP-核糖的产生。其片段之一从细胞核迁移到细胞质，被认为是自体免疫的靶标。

在不依赖半胱天冬酶的细胞凋亡过程中，也称为parthanatos，由于PARP的激活或聚（ADP-核糖）糖水解酶poly(ADP-ribose) glycohydrolase的失活，可能导致聚-ADP-核糖的积累。 研究发现，聚ADP-核糖可驱动凋亡诱导因子蛋白向核的运输，在核中进而导致DNA片段化 。 如果在压力下发生胱天蛋白酶活化失败，则会发生坏死。 PARPs受到肿瘤坏死因子蛋白的调节若过度活化会导致细胞程序性坏死。 尽管尚不清楚其机制，但已显示PARP抑制剂会影响细胞程序性坏死。 [23]

基因调控

ADP-核糖基化可以在几乎每个调控水平上影响基因表达 ，包括染色质组态，转录因子募集和结合以及mRNA加工。

核小体的组态是调节基因表达的关键：核小体的间隔和组态会改变DNA区域，这DNA区域可用于转录机制的结合并转录DNA。 PARP1是一种多聚ADP核糖聚合酶，已被证明可通过修饰组蛋白来影响染色质结构并促进核小体组织的变化。

PARP1锌指域与DNA结合的晶体结构（紫色）。 PDB：4AV1

过去已经发现PARP影响转录因子结构并引起许多转录因子的募集以在DNA形成复合物并引发转录。还显示了单ADP-核糖基转移酶影响启动子处的转录因子结合。例如，PARP14（一种单ADP-核糖基转移酶）会影响STAT转录因子的结合。

一些可结合mRNA的ADP-核糖基转移酶，可能导致该基因转录的沉默 。 [24]

DNA修复

聚ADP-核糖聚合酶（PARP）可以在单链断裂和双链断裂的DNA修复中发挥作用。 在单链断裂修复（ 碱基切除修复(base excision repair) ）中，PARP可以促进氧化糖的去除或DNA链的断裂。 PARP1结合断裂的单链DNA，并拉住附近的碱基切除修复中间体。这些中间体包括XRCC1和APLF，可以直接或通过APLF的PBZ域而

募集。 [25] 这将能合成聚ADP核糖。 PBZ结构域存在于许多涉及DNA修复的蛋白质中，能与PARP结合，从而导致ADP-核糖基化，并募集修复因子在断裂位点与之相互作用。

PARP1通过募集修复酶促进DNA修复。 DNA的单链断裂的修复是通过PARP1的结合而开始的。 PARP1结合断裂的单链DNA并拉近碱基切除修复中间体，从而合成聚ADP核糖。 XRCC1是X射线修复交叉互补蛋白1。 XRCC1与处理DNA末端的多核苷酸激酶（PNK）形成复合物。 PCNA是一种增殖细胞核抗原，可作为DNA钳，帮助DNA聚合酶活性（DNA pol），然后募集FEN1（Flap内切核酸酶1）以去除悬垂的5'端。 DNA修复的最后一步涉及DNA连接酶，该酶将最终的DNA链以磷酸二酯键结合在一起。

有许多机制可以修复受损的双链DNA。 PARP1可能在其他非同源末端连接中充当突触因子(synapsis factor)。 另外，DNA复制叉的复制当遇到损伤的DNA可能需要由PARP1来减慢并促进功能失调的复制叉处的同源重组。 PARP1和PARP3可能协同作用于修复双链DNA，并且已经证明PARP3对双链断裂的解析至关重要。 PARP1和PARP3符合了两个假设。 第一个假设指出，两种ADP-核糖基转移酶作用是在其中一个失去活性与否。如果PARP3丢失，则会导致单链DNA断裂，从而招募PARP1。第二个假设表明这两种酶共同起作用。 PARP3催化单ADP核糖基化和短聚ADP核糖基化，并用于激活PARP1。 [26]

PARP有许多目标蛋白质在DNA损伤的部位。 KU蛋白和DNA-PKcs都是双链DNA断裂修复机制的一部分，其ADP-核糖基化位点未知。 组蛋白是PARP的另一个目标蛋白质。 DNA损伤后，所有核心组蛋白 (core histones)和接头组蛋白 (linker histone) H1均会被ADP核糖基化。 这些修饰的功能仍是未知的，但是这现象已经被提出，ADP-核糖基化调节高阶染色质结构，以促进修复因子迁移到DNA损伤中更易接近的位点。

蛋白质降解

在蛋白质的降解机制中主要是由泛素-蛋白酶体系统（UPS）将蛋白质降解。 26S蛋白酶体由催化次单元（20S核心颗粒）和调节次单元（19S帽）组成。 [27] 聚泛素链标记蛋白质以被蛋白酶体降解，从而使标记的蛋白质水解成较小的肽。

Tankyrase（TNKS），一种ADP-核糖基转移酶，与蛋白酶体调节剂PI31相互作用。 果蝇和人类细胞株中的证据表明，TNKS的锚蛋白域（ANK）有助于与PI31的N端TNKS结合基序和C端HbYX域相互作用。[28] 将通过TNKS的PARP域促进PI31的ADP-核糖基化。 另外，显示了用TNKS抑制剂XAV939处理果蝇细胞会减弱26S蛋白酶体的活性。 此外，已经证明PI31的ADP-核糖基化可以阻断PI31介导的20S颗粒的α-次单元的抑制。 因此，一个有效的假设是，tankyrase介导的ADP-核糖基化以降低PI31的活性，进而降低了蛋白酶体对蛋白质的降解。

临床意义

癌症

PARP1参与碱基切除修复 (BER)，单炼和双链DNA断裂修复以及稳定染色体。 它也通过促进蛋白质间相互作用来参与转录调控 。 PARP1使用NAD +来执行其在凋亡中的功能。 如果PARP变得过度活跃，则细胞的NAD +辅因子水平将下降，而ATP水平将下降，因此将发生坏死 。 这在致癌作用中非常重要，因为PARP1的缺陷细胞在癌症生长过程中具有生存优势。 [29]

在PARP1缺乏下对癌变的易感性在很大程度上取决于引起的DNA损伤的类型。 各种PARP参与预防癌变有许多含义。 如前所述，PARP1和PARP2与BER和染色体稳定性有关。 PARP3参与中心体调节。 端锚聚合酶(Tankyrase)是另一种涉及端粒长度调节的ADP-核糖聚合酶。 [5]

在抗癌治疗剂中，抑制PARP1也得到了广泛研究。 PARP1抑制剂的作用机制过去被认为是通过抑制BRCA1/2缺陷型患者的PARP1修复功能来增强化学疗法对癌细胞DNA的损伤。然而，近期有越来越多研究发现，对于非BRCA1/2缺陷型的癌症患者，PARP抑制剂也能发挥显著的疗效，例如作为晚期卵巢癌维持疗法的药物Niraparib这个PARP1/2抑制剂，就被证实能对无同源重组修复缺陷的患者有疗效，因此推翻了PARP抑制剂只能用于治疗BRCA1/2缺陷型患者的理论，可见这类药物的机制远比单纯的影响DNA修复还来得更复杂。PARP被发现可参与调节基因转录、核糖体合成以及免疫活化等机制[30]，不过这些机制是否与PARP抑制剂的药物作用机转有关，都尚待更多研究辅佐证实。

PARP14是另一种ADP-核糖基化酶，已针对癌症治疗靶点进行了深入研究。它是STAT6转录相互作用蛋白的信号转导和激活剂，并被证明与B细胞淋巴瘤的攻击性有关。 [29]

细菌毒素

细菌ADP-核糖基化外毒素（bARE）将NAD +的ADP-核糖部分共价转移到感染的真核生物的靶蛋白上，从而产生烟酰胺和游离氢离子。 bARE作为酶原产生，由" A"和"B"域组成："A"域负责ADP核糖基化活性；而"B"域，用于使酶在细胞膜上易位。 这些域可以三种形式协同存在：第一，作为具有A和B域共价连接的单条多肽链；其次，在具有通过非共价相互作用结合的A和B域的多蛋白复合物中；第三，在剪切之前，具有不直接相互作用的A和B域的多蛋白复合物。 [6]

白喉毒素的晶体结构。 PDB：1MDT

激医但被激活，bAREs将ADP-核糖基化数个真核蛋白；这种机制对于激发与ADP-核糖基化有关的疾病状态至关重要，特别是GTP结合蛋白。 例如，霍乱和不耐热肠毒素靶向异三聚体GTP结合蛋白的Gs的α-次单元 。 由于α-亚基是ADP-核糖基化的，因此它永久处于"活跃"的GTP结合状态；随后细胞内环状AMP的激活会刺激肠上皮细胞释放液体和离子。 此外， 肉毒杆菌 C3 ADP-核糖基化了GTP结合蛋白Rho和Ras ， 百日咳毒素 ADP-核糖基化了Gi ，Go和Gt。 白喉毒素 ADP-核糖基化了核糖体延伸因子EF-2 ，从而减弱了蛋白质的合成。 [6] 有许多种细菌在感染中使用bARE，例如：肺炎支原体的 CARDS毒素；霍乱弧菌的霍乱毒素；大肠杆菌的不耐热肠毒素 ；绿脓杆菌的外毒素A；百日咳杆菌的百日咳毒素; 肉毒杆菌的C3毒素和白喉杆菌的白喉毒素 。[31] 越来越多的研究表明ADP-核糖基转移酶在病原菌入侵宿主中扮演重要的角色，例如最新研究发现，条件致病菌紫色色杆菌可分泌效应蛋白CteC，特异性对宿主细胞内的泛素分子进行单ADP-核糖基化修饰，进而广泛干扰宿主泛素通路。[32]

延伸阅读

参考资料

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