ADP核糖基化對DNA損傷修復的調控

楊春燕++張文++付薇++王小利++鐘理++吳佳海

摘要 DNA鏈斷裂在細胞中持續發生，可導致染色體重排和基因組不穩定或細胞死亡。最常見的是DNA單鏈斷裂，單個細胞每天可成千上萬次發生，會阻礙RNA/DNA 聚合酶的反應，干擾基因轉錄和基因組復制。如果DNA單鏈斷裂沒有得到及時修復，在基因組復制過程中會演變轉變為DNA雙鏈斷裂，從而激活一系列的DNA損傷反應。在DNA的損傷修復途徑中，ADP核糖基化行使了非常重要的功能，本文將詳細闡述ADP核糖基化參與的具體DNA損傷修復途徑。

關鍵詞 ADP核糖基化；DNA損傷；修復

中圖分類號 P361.3 文獻標識碼 A 文章編號 1007-5739（2015）18-0273-02

ADP-ribosylation Signaling During DNA Damage Repair

YANG Chun-yan ZHANG Wen FU Wei WANG Xiao-li * ZHONG Li WU Jia-hai

（Guizhou Institute of Prataculture，Guiyang Guizhou 550006）

Abstract DNA damage occurs continuously，and lead to chromosome rearrangements，genome instability and cell death. The commonest DNA damage is DNA single-strand breaks，which occurs tens-of-thousands each day，which can block the progression of RNA/DNA polymerases and disrupt gene transcription and genome duplication. If not rapidly repaired，SSBs can be converted into DNA double-strand breaks（DSBs）during genome duplication，eliciting a complex series of DNA damage responses. Protein ADP-ribosylation played a key role in DNA single-and double-strand break repair pathways. This paper reviewed the exactly pathways that ADP-ribosylation signaling during DNA damage repair.

Key words ADP-ribosylation；DNA damage；repair

ADP核糖基化指的是煙酰胺腺嘌呤二核苷酸中的ADP核糖基部分與某些蛋白質的氨基酸殘基發生共價連接反應，從而影響蛋白質的功能。ADP核糖基化由ADP核糖轉移酶（ADPRTS）來完成，動物細胞有一個很大的ADP核糖轉移酶基因家族，在這個基因家族中，有的具有多聚ADP核糖基團轉移活性（poly ADP ribosylation），對底物進行多聚ADP核糖基化修飾；有的具有單一ADP核糖基團轉移活性（momo-ADP ribosylation），對底物進行單個ADP核糖基化修飾[1-3]。在DNA損傷過程中，可檢測的多聚ADP核糖基化，多聚轉移酶PARP-1占據了80%～90%。PARP-1也可以進行自身ADP核糖基化修飾，在較小程度上，也可以對其他DNA修復蛋白和組蛋白進行短暫的ADP核糖基化修飾。現將ADP參與的具體DNA損傷修復途徑介紹如下。

1 ADP核糖基化與DNA單鏈斷裂修復（SSBR）

1.1 ADP核糖基化與DNA單鏈斷裂（SSBs）

DNA單鏈斷裂是一種最常見的DNA損傷，與可遺傳的神經變性疾病密切相關[4]，SSBs可由糖氧化損傷直接產生，也可由DNA堿基切除修復（BER）或DNA拓撲異構酶1（TOP1）失活間接產生。到目前為止，PARP-1在ADPRT家族中是唯一被證明參與SSBs修復過程的[5]。PARP-1是一種核定位蛋白，在遺傳穩定性、細胞抗電離輻射和烷基化損傷等方面發揮著重要功能[6-9]。PARP-1除了與其參與的DNA損傷修復過程一致的表型外，還有一些其他的表型，因為PARP-1還具有通過調整染色質結構調控基因轉錄的功能[10-11]。

PARP-1通過2個鋅指結構域結合DNA斷裂鏈，結合后，其活性將被迅速激活到500倍以上。這種結合是一個非常短暫的過程，因為其自ADP核糖基化會導致其從DNA鏈上脫離下來。多聚ADP核糖基團在幾分鐘內會被多聚ADP核糖水解酶降解。PARP-1與DNA斷裂鏈的脫離有利于其他DNA修復蛋白與斷裂鏈的結合。

1.2 ADP核糖基化與DNA單鏈斷裂修復（SSBR）

ADP核糖轉移酶的合成促進DNA單鏈斷裂修復，比如脫氧核糖分解導致的DNA單鏈氧化斷裂。由于這些斷裂在核基因組上隨機發生，需要這樣的一個感受因子去發現并修復這些斷裂。PARP-1促進SSBR的途徑之一是通過促進XRCC1的積累來發揮功能。XRCC1可與其他的SSBR酶復合體組分直接互作，可促進SSBR酶復合體的形成并維持其穩定性。XRCC1有一個BRC保守結構域，可與核糖基化的PARP結合，因此PARP通過自ADP核糖基化來促進XRCC1和其他互作的蛋白因子在DNA斷裂鏈的積累，從而完成修復過程[12]。

除了XRCC1的積累之外，染色質結構的調控也是PARP-1促進SSBR的途徑。PARP-1可通過組蛋白ADP核糖基化，組蛋白分子伴侶、染色質重塑因子的積累來調整染色質結構，通過調控基因轉錄來促進SSBR過程[13-15]。endprint

2 ADP核糖基化與DNA 復制過程中的DNA損傷修復

大量證據PARP-1參與了全基因組SSBs的修復。未修復的SSBs在細胞分裂S期，會導致復制叉的解體，從而演變成DNA雙鏈斷裂（DSBs），這需要通過同源重組（HR）的方式來進行修復，大量證據表明PARP-1在該過程發揮了重要功能。在外施喜樹堿（CPT）誘導SSBs或TOP1失活劑的情況下，PARP-1可阻止脊椎動物復制叉的解體。此外，在復制叉已經解體的情況下，PARP-1可引導對SSBs演變成的DSBs進行HR修復而不是不利于基因穩定遺傳的NHEJ（非同源重組黏性末端結合）修復。在DT40細胞中，PART-1突變體對CPT高度敏感，這種表型可在抑制KU80和Lig4基因（參與NHEJ的相關基因）的情況下得以回復。同樣，在外施PARP抑制劑的情況下，HR途徑會受到抑制，這種抑制在NHEJ相關基因突變的情況下得到恢復[16]。

3 ADP核糖基化與非同源重組黏性末端結合（NHEJ）

在NHEJ途徑中，主要依賴于NHEJ關鍵因子Ku、DNA-PKcs和Lig4，該途徑又被稱為傳統的NHEJ（C-NHEJ）途徑；除此之外，還存在另外一種A-NHEJ途徑，雖然它不是最主要的NHEJ，但其在染色體重排和基因組穩定性方面同樣發揮著重要功能[17-19]。

3.1 ADP核糖基化與C-NHEJ

多個證據表明，ADP核糖基化參與了NHEJ途徑，比如：PARP-1可以結合DSBs，并被激活；PARP-1可與Ku、DNA-PKcs直接互作；PARP-1可以招募染色體重塑酶SMARCA5/SNF2H。但在PARP-1突變體試驗中，并沒有太多的證據表明PARP-1促進了C-NHEJ途徑，也許PARP-1參與的是A- NHEJ途徑[20]。盡管PARP-1在C-NHEJ途徑中的功能未知，但在C-NHEJ過程中確實存在蛋白ADP核糖基化修飾。在參與C-NHEJ的很多蛋白，包括Ku70都存在結合單一或多聚ADP核糖基團的結構域。最近報道的APLF帶有結合多聚ADP核糖基團的PBZ結構域。APLF雖然不為NHEJ所必需，但可促進這一進程[21-26]。奇怪的是，APLF參與C-NHEJ途徑依賴的并不是PARP-1，而是PARP-3。PARP-3與PARP-1有諸多不同，比如它為DSBs所激活的程度不如PARP-1高。此外，它對靶蛋白多進行單一ADP核糖基修飾，而非PARP-1行使的多聚修飾方式[27-28]。

3.2 ADP核糖基化與A-NHEJ

相對于C-NHEJ途徑而言，PARP-1確切地參與了A-NHEJ過程[29-31]。A-NHEJ是一種不依賴于Ku和DNA-PKcs的途徑，主要包括2種方式：一種是根據DNA微同源序列利用DNA連接酶3（DNA Lig3）進行修復；另一種不依賴于DNA微同源序列利用DNA連接酶1（DNA Lig1）進行修復[32-33]。A-NHEJ可在細胞中輕易檢測到，在細胞不同周期、不同發育期動態發生，尤其在G2時期達到最高值[34-36]。A-NHEJ解釋了包括DSBs誘導的染色體易位、基因重排和端粒融合等多種現象[37-41]。PARP-1在A-NHEJ過程中，可能行使了招募DNA連接酶3進行DNA連接的功能，具體還有待研究。

4 展望

盡管在ADP核糖基化對DNA損傷修復的調控方面取得了大量的研究成果，但是在評價PARP在DNA修復中的功能時，PARP抑制劑的使用對試驗結果的準確性造成了一定的影響，因為它在試驗過程中將會導致額外的DNA損傷，這種損傷不能等價于在PARP缺失時造成的DNA損傷。同時，在DNA損傷以后，多聚ADP核糖基化的關鍵靶點現在仍然未知。隨著質譜技術的發展，將為檢測和分析多聚ADP核糖基化修飾的靶蛋白提供了強有力的工具，為揭示DNA損傷修復的奧秘提供更多的科學依據。這些研究將有助于人們了解基因突變和進化的機制。

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