DNA损伤诱导的多聚核糖基化修饰发生机制研究

来源：BioArt

ADP-核糖基化（ADP-ribosylation）修饰是一种常见的蛋白质翻译后修饰，在包括DNA损伤修复，细胞增殖和分化，代谢，应激和免疫反应等的一系列生物学过程中发挥重要功能。在DNA损伤修复过程中，当DNA损伤发生后，ADP-核糖基化酶PARP1及同源物PARP2作为DNA损伤的第一响应者，会最先被损伤的DNA募集到损伤位点以NAD+为原料对组蛋白和其他底物进行单体和多聚核糖基化（PARylation）修饰。研究表明， DNA损伤特异的PARylation修饰多发生在底物的丝氨酸残基上，这一过程需要HPF1（PARylation Factor 1）辅助因子的协助。HPF1可指导PARP1/2 以NAD+为原料对底物蛋白质中KS motif中的S丝氨酸残基进行修饰。DNA损伤诱导的PARylatio对于损伤发生后的染色质解压缩，DNA损伤修复因子的招募是至关重要的。靶向PARP活性的抑制剂在癌症治疗中被广泛研究和应用（详见BioArt报道：Nat Chem Bio | 余永豪组利用靶向蛋白质降解分离PARP1抑制剂的催化抑制和捕获活性机制）。

2020年2月6日，牛津大学Ivan Ahel实验室在Nature发表文章HPF1 completes the PARP active site for DNA damage-induced ADP-ribosylation，报道了HPF1结合到PARP2催化结构域的结构。结合NMR和生化数据，该文章揭示了由来自HPF1和PARP1/2的残基共同形成的全酶活性位点，证明该复合活性中心的组装对于细胞中DNA损伤诱导的 PARylation的发生至关重要， 同时该研究提出了PARP酶活性被调控的分子机制。该项研究提出如下模型：在没有DNA损伤的情况下， PARP的抑制结构域-HD（helical subdomain）处于折叠状态，抑制其与HPF1，NAD+的结合；当PARP结合受损伤的DNA后导致其构象发生变化，HD抑制结构域展开，抑制作用解除，促进HPF1-PARP复合活性中心的形成，活性中心进一步结合组蛋白等底物，以NAD+为原料对底物的丝氨酸残基进行DNA损伤特异的核糖基化修饰。该研究提出了HPF1参与DNA损伤诱导PARP酶活性的分子机制，暗示了HPF1可能可以直接通过影响PARP的抑制和捕获从而影响临床应用PARP抑制剂治疗肿瘤过程中患者对于PARP抑制剂的反应。

2020年9月16日， St Jude Children’s Research Hospital的Mario Halic团队Nature杂志上发表了文章Bridging of DNA breaks activates PARP2–HPF1 to modify chromatin，在上一篇Nature文章（通讯作者Ivan Ahel也是这篇Nature的参与人）的基础上，进一步提出了DNA损伤如何激活PARP-HPF1催化活性以及其发挥催化功能的工作模型。

为了理解PARP识别并结合受损伤DNA的分子机制，该团队首先组装了PARP2–HPF1与核小体单体复合物，核小体单体用以模拟染色质环境下断裂的DNA。冷冻电镜结构显示，PARP2–HPF1复合物可以桥连两个核小体，使断裂的DNA处于适宜连接的位置。进一步体外实验证明，PARP2–HPF1对DNA末端核小体的桥接可以导致PARP2发生结构变化，通过改变其抑制结构域HD的构象，使HD结构域的抑制作用消失，促进其催化活性的激活。

为了更加清晰理解PARP2–HPF1被激活后催化组蛋白等底物发生PARylation修饰的过程，该研究除了获得PARP2–HPF1的稳定构象之外还捕获了更多动态过程。通过对更多动态过程的解析，该研究提出了PARP在不同构象间循环的工作模型：PARP2–HPF1桥连DNA被激活后，可以在不同构象下交换NAD+，执行其催化功能，释放底物。这一动态过程的循环使得PARP–HPF1复合物在结合并保护DNA末端的同时，实现对多个底物持续不断发挥催化功能。随后，该研究通过体外生化实验以组蛋白H3为底物进一步探究了PARylation修饰发生的动态过程，发现PARP催化的组蛋白H3 PARylation发生非常迅速，并且在其对H3进行修饰的过程中PARP2–HPF1复合物保持和核小体的结合。随着反应时间的增长，PARP2自身PARylation修饰增加逐步最终导致PARP2–HPF1复合物从核小体的解离，终止修饰反应，将桥连的损伤DNA移交给其他修复因子。这一结果为染色质环境下，PARP催化组蛋白等底物PARylation的发生过程提供了动态模型。该研究在上一篇Nature文章的基础上更加详细分析了DNA 损伤发生后，PARP识别受损伤的DNA并与HPF1构成全酶对组蛋白等底物进行修饰，以及修饰完成后通过其自身PARylation而从染色质上解离下来的动态过程。

PARP抑制剂已通过美国FDA的审批作为临床抗癌药物，并在BRCA突变的乳腺癌、卵巢癌，以及胰腺癌等治疗中取得了巨大成功，但其耐药性问题也被日益关注，产生耐药性的患者PARP突变也被发现。该项研究为DNA损伤诱导的PARP的激活和PARylation发生机制研究提拱了结构生物学，生物化学上的数据和模型，可以帮助理解临床癌症治疗中病人PARP突变引起对PARP抑制剂产生耐药的原理，阐明这一问题将有助于开发更好的PARP抑制剂以用于癌症治疗。