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PARP1在氧化應(yīng)激誘導(dǎo)的DNA損傷及其修復(fù)過程中的作用

李煒娟肖元梅

(南昌大學(xué)醫(yī)學(xué)院公共衛(wèi)生學(xué)院，江西南昌330006)

關(guān)鍵詞〔〕PARP1;氧化應(yīng)激;活性氧自由基

第一作者：李煒娟(1988-)，女，碩士，主要從事氧化應(yīng)激損傷研究。

活性氧自由基(ROS)在代謝或炎癥過程中定期產(chǎn)生，它的產(chǎn)生與抗氧化防御不平衡形成了氧化應(yīng)激。氧化應(yīng)激導(dǎo)致DNA損傷和促進(jìn)炎癥反應(yīng)〔1，2〕。聚腺苷酸二磷酸核糖聚合酶-1(PARP1)作為DNA損傷的分子感受器，在氧化應(yīng)激誘導(dǎo)DNA損傷時(shí)被激活，活化的PARP1介導(dǎo)堿基切除修復(fù)復(fù)合物參與受損DNA的修復(fù)。

1PARP1的結(jié)構(gòu)及其功能

1.1PARP1的結(jié)構(gòu)PARP1基因位于染色體1q41-42區(qū)，有23個外顯子。PARP1是一條由1 014個氨基酸殘基組成的多肽鏈，它包括以下幾個結(jié)構(gòu)域：(1)N末端DNA結(jié)合區(qū)域(DBD)：包括3個鋅指結(jié)構(gòu)(Zn1、Zn2和Zn3)和一個核定位序列，Zn1和Zn2參與DNA損傷位點(diǎn)的識別，Zn3主要是介導(dǎo)區(qū)域間的交流和參與PARP1的活化；(2)自我修飾區(qū)域(AD)：與DNA結(jié)合、自身糖基化和二聚體形成有關(guān)；(3)C末端催化區(qū)域(CAT)：催化NAD+轉(zhuǎn)化為ADP核糖基化蛋白受體和尼克酰胺〔3，4〕；(4)高色氨酸-甘氨酸-精氨酸區(qū)域(WGR)：最新研究顯示：WGR是PARP1的核心組成部分，可以與DNA、Zn1、Zn3、和CAT相互作用，組成了一個區(qū)域間聯(lián)系的網(wǎng)絡(luò)，將受損DNA與CAT區(qū)域結(jié)合〔5〕。

1.2PARP1的功能PARP1在氧化應(yīng)激誘導(dǎo)DNA損傷時(shí)，通過與DNA單雙鏈斷裂處結(jié)合被激活。PARP1的活化方式有2種：(1)N末端鋅指結(jié)構(gòu)與DNA單雙鏈斷裂區(qū)域結(jié)合活化PARP1；(2)第3鋅指結(jié)構(gòu)通過增強(qiáng)C末端催化區(qū)域活性使PARP1構(gòu)象發(fā)生改變，進(jìn)而活化PARP1〔6〕。DNA損傷修復(fù)過程中，PARP1通過調(diào)節(jié)其底物和本身的活性產(chǎn)生大量帶有負(fù)電荷的多聚ADP核糖鏈，后者被降解后聚集和激活多蛋白復(fù)合物參與氧化應(yīng)激誘導(dǎo)的DNA損傷修復(fù)。PARP1的另一重要作用就是對轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)節(jié),PARP1作為轉(zhuǎn)錄因子通過與八聚體同源序列的啟動子結(jié)合調(diào)節(jié)基因的表達(dá)〔7，8〕。此外，PARP1在細(xì)胞凋亡和死亡過程中也發(fā)揮了重要作用。

2氧化應(yīng)激誘導(dǎo)的DNA損傷與PARP1的活化作用

2.1氧化應(yīng)激誘導(dǎo)的DNA損傷氧化應(yīng)激產(chǎn)生的大量活性氧自由基造成DNA損傷的形式有單雙鏈斷裂、DNA位點(diǎn)突變、雙鏈畸變以及原癌基因突變等，活性氧自由基對線粒體DNA的突變影響大于核DNA，所以線粒體DNA更易遭受氧化應(yīng)激〔9〕。另外，F(xiàn)enton反應(yīng)分解H2O2產(chǎn)生的·OH也能高效的損傷DNA；同時(shí)，受損DNA通過激活NF-κB和介導(dǎo)炎癥信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路的方式誘導(dǎo)機(jī)體產(chǎn)生更多氧化應(yīng)激，進(jìn)而又加重了DNA的損傷。

2.2DNA損傷與PARP1的活化作用DNA損傷后激活PARP1，活化的PARP1催化底物NAD+轉(zhuǎn)化為ADP核糖基化蛋白受體和尼克酰胺〔10，11〕,每生成1 mol的聚ADP核糖，消耗1 mol的NAD+和4 mol的ATP，所以，過度的PARP1活化由于ATP能量耗竭而導(dǎo)致細(xì)胞死亡，說明輕度的PARP1活化有利于細(xì)胞存活，而過度的PARP1活化則導(dǎo)致細(xì)胞死亡〔12〕。

3PARP1在DNA單雙鏈斷裂損傷修復(fù)中的作用

氧化應(yīng)激產(chǎn)生的大量活性氧自由基可導(dǎo)致DNA單雙鏈斷裂。DNA單鏈斷裂時(shí)，PARP1識別有缺口的DNA并與之結(jié)合被激活，活化的PARP1與DNA損傷處結(jié)合形成同型二聚體，催化底物NAD+轉(zhuǎn)化為ADP核糖基化蛋白受體，后者與核受體蛋白結(jié)合形成帶有大量負(fù)電荷的多聚ADP核糖鏈，多聚ADP核糖鏈達(dá)到一定長度后降解產(chǎn)生聚ADP核糖，聚ADP核糖介導(dǎo)堿基切除修復(fù)復(fù)合物(XRCC1作為腳手架，與聚合酶β、DNAligⅢ結(jié)合形成的復(fù)合物)參與DNA單鏈斷裂處的修復(fù)〔13〕。輕度的PARP1激活促進(jìn)DNA的損傷修復(fù)，但是過度的PARP1激活導(dǎo)致細(xì)胞死亡。

DNA雙鏈斷裂修復(fù)是比較繁瑣的，因?yàn)閮蓷lDNA鏈都不能作為模板進(jìn)行修復(fù)，所以非同源末端連接(MHEJ)和同源重組(HR)成為DNA雙鏈斷裂修復(fù)的主要方式。最近研究數(shù)據(jù)表明，PARP1不僅參與MHEJ和HR途徑的DNA雙鏈斷裂修復(fù)，還可能控制信號通路的選擇，但是其具體機(jī)制尚未完全闡明〔14～16〕。

4PARP1作為轉(zhuǎn)錄因子控制DNA損傷應(yīng)答基因的表達(dá)

PARP1是一種重要的轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子。PARP1調(diào)控轉(zhuǎn)錄的重要性在于控制整體變化的基因表達(dá)，如對細(xì)胞周期、DNA修復(fù)和代謝中基因表達(dá)的控制。PARP1控制DNA損傷應(yīng)答基因的表達(dá)有酶依賴的染色體重組和酶缺乏的同源序列識別兩種機(jī)制〔17，18〕。

5結(jié)語

PARP1在氧化應(yīng)激誘導(dǎo)的DNA損傷修復(fù)過程中發(fā)揮重要作用，但PARP1參與非同源末端連接和同源重組途徑介導(dǎo)的DNA雙鏈斷裂修復(fù)機(jī)制還不清楚，隨著對PARP1作用機(jī)制研究的不斷深入，必將為DNA損傷修復(fù)研究提供新的線索，同時(shí)為臨床基因治療疾病開拓新的前景。

參考文獻(xiàn)6

1Kim MY, Zhang T, Kraus WL.Poly(ADP-ribosyl)ation by PARP-1：'PAR-laying' NAD+into a nuclear signal〔J〕.Genes Dev,2005;19(17)：1951-67.

2Langelier MF, Planck JL, Roy S,etal.Structural basis for DNA damage-dependent poly(ADP-ribosyl)ation by human PARP-1〔J〕.Science,2012;336(6082)：728-32.

3Li X.Binding to WGR domain by salidroside activates PARP1 and protects hematopoietic stem cells from oxidative stress〔J〕.Antioxid Redox Signal, 2014;20(12)：1853-65.

4Langelier MF,Ruhl DD,Planck JL,etal.The Zn3 domain of human poly(ADP-ribose) polymerase-1 (PARP-1) functions in both DNA-dependent poly(ADP-ribose) synthesis activity and chromatin compaction〔J〕.J Biol Chem,2010;285(24):18877-87.

5Gagne JP,Rouleau M,Poirier GG.Structural biology.PARP-1 activation-bringing the pieces together〔J〕.Science,2010;336(6082):678-9.

6Ko HL,Ren EC.Novel poly (ADP-ribose) polymerase 1 binding motif in hepatitis B virus core promoter impairs DNA damage repair〔J〕.Hepatology,2011;54(4):1190-8.

7Zhou J,Huang JD,Poon VK,etal.Functional dissection of an IFN-alpha/beta receptor 1 promoter variant that confers higher risk to chronic hepatitis B virus infection〔J〕.J Hepatol,2009;51(2):322-32.

8Nyquist P,Zhang J,De Graba TJ.The-928 G/C and-362 G/C single-nucleotide polymorphisms in the promoter of MCP-1：increased transcriptional activity and novel binding sites〔J〕.Cerebrovasc Dis,2009;29(3):242-7.

9Ishikawa K，Takenaga K，Akimoto M，etal.ROS-generating mitochondrial DNA mutations can regulate tumor cell metastasis〔J〕.Science，2008;320(5876)：661-4.

10Schreiber V,Dantzer F,Ame JC,etal.Poly(ADP-ribose)：novel functions for an old molecule〔J〕.Nat Rev Mol Cell Biol,2006;7(7):517-28.

11Hassa PO,Haenni SS,Elser M,etal.Nuclear ADP-ribosylation reactions in mammalian cells：where are we today and where are we going〔J〕? Microbiol Mol Biol Rev,2006;70(3):789-829.

12Erener S,Petrilli V,Kassner I,etal.Inflammasome-activated caspase 7 cleaves PARP1 to enhance the expression of a subset of NF-kappaB target genes〔J〕.Mol Cell,2012;46(2):200-11.

13Ko HL,Ren EC. Functional aspects of PARP1 in DNA repair and transcription〔J〕.Biomolecules, 2012;2(4)：524-48.

14Paddock MN,Bauman AT,Higdon R,etal.Competition between PARP-1 and Ku70 control the decision between high-fidelity and mutagenic DNA repair〔J〕.DNA Repair (Amst),2011;10(3):338-43.

15Mansour WY,Rhein T,Dahm-Daphi J.The alternative end-joining pathway for repair of DNA double-strand breaks requires PARP1 but is not dependent upon microhomologies〔J〕.Nucleic Acids Res,2010;38(18):6065-77.

16Nam EA,Cortez D.ATR signalling：more than meeting at the fork〔J〕.Biochem J,2011;436(3):527-36.

17Kraus WL.Transcriptional control by PARP-1：chromatin modulation, enhancer-binding, coregulation, and insulation〔J〕.Curr Opin Cell Biol,2008;20(3):294-302.

18Kang X,Kim HJ,Ramirez M,etal.The septic shock-associated Il-10-1082 A>G polymorphism mediates allele-specific transcription via poly(ADP-ribose) polymerase 1 in macrophages engulfing apoptotic cells〔J〕.J Immunol,2010;184(7):3718-24.

〔2014-10-22修回〕

(編輯李相軍)

通訊作者：肖元梅(1972-)，女，副教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事重金屬中毒機(jī)制與防治研究。

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(No.81160342)；江西省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(20122BAB205047)；江西省教育廳科技項(xiàng)目(GJJ11312)

中圖分類號〔〕R114；R363.1〔

文獻(xiàn)標(biāo)識碼〕A〔

文章編號〕1005-9202(2015)23-6924-02；doi：10.3969/j.issn.1005-9202.2015.23.128