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ADP-核糖化（ADP-Ribosylation）是将ADP-核糖（ADPR）基团与目标蛋白酶促共价连接的过程。作为修饰物的ADPR是由NAD+裂解产生的，可以在蛋白质上添加一处或多处，称为单（mono）或多（multi）ADP-核糖化。 根据修饰基团是ADPR单体（MAR）还是其聚合物（PAR），又可分为单ADP-核糖化（mono ADP-ribosylation, MARylation）和聚ADP-核糖化（poly ADP-ribosylation, PARylation）两类。也有文献将短链聚合物修饰称为寡（Oligo）ADP-核糖化。与修饰位点结合，就有多种修饰模式。 ADP-核糖化是一种动态可逆的PTM（翻译后修饰）系统，借用表观遗传调控中常用的说法，有一套writer、reader、eraser等酶系进行调控。writer即催化形成ADP-核糖化修饰的酶，统称为ADP-核糖基转移酶（ADP-ribosyl transferase，ADPRT或ART），是一类具有单或多ADP-核糖基转移活性的蛋白质。  ART是个超家族，可以按反应类型分为催化MARylation的单ADP-核糖转移酶（mono ADP-ribosyl transferases，MART）和催化PARylation的聚ADP-核糖聚合酶（poly ADP-ribosyl polymerase，PARP）。 细菌ART常按保守的核心基序分为HYE（His-Tyr-Glu）和RSE（Arg-Ser-Glu）两类，分别以白喉毒素和霍乱毒素为代表。真核生物常按亚细胞定位分为分泌型（ARTC）和胞内型（ARTD）。其中C代表cholera toxin-like（霍乱毒素样），结构类似于RSE ART；D代表diphtheria toxin-like（白喉毒素样），类似于HYE ART。ARTC是膜锚定的，所以也称为ectoART。 人类有17种ARTD，称为PARP1-16（5有AB两种）。不过其中3、4、6、10、14-16其实是MART。之所以这样，是因为它们在关键位置发生突变，导致延伸活性消失，仅保留起始活性，用于催化MARylation。为了区别这两种PARP，有人称之为monoPARP和polyPARP，也有人称之为PARP monoenzyme或者ARTD polyenzyme。  PARP活性的核心是ART结构域，或称ART fold。Fold是折叠子，指蛋白质中可独立折叠的局部结构。ART fold具有结合NAD+的功能，是已知的两个NAD+结合结构之一。另一个是Rossman fold，但它对NAD+的专一性较弱，还可以结合NADP和FAD，常见于氧化还原酶中。 ART fold结合NAD+的特异性很高，其中HYE三个残基起着关键作用。谷氨酸不仅起定位底物的作用，还参与催化过程。它与核糖的2’羟基形成氢键，从而促进聚合物的延伸，即将ADPR添加到已有的ADPR链上。所以谷氨酸的突变可导致延伸活性消失，只能将ADPR转移到氨基酸上，就转变为MART了。 PARP1可以形成二聚体，其中一个亚基作为催化亚基，给另一个受体亚基添加PAR修饰。此过程中还需要其它残基协助稳定受体的ADPR链。下图为此过程的延伸机制。  ADP-核糖化修饰可以改变蛋白质的活性、稳定性和配体结合能力，对细胞功能产生重大影响。细菌利用单-ADP核糖化防御病毒侵染，也用来对抗宿主免疫系统，甚至作为细菌毒素攻击真核宿主细胞关键分子，在细胞中产生灾难性的后果。 白喉毒素通过修饰真核延伸因子2（eEF2）而使其失活，从而阻断蛋白质合成并诱导细胞凋亡。毒素分子包含3个结构域，其中两个结构域负责结合细胞表面抗原和进入细胞，最终进入细胞并催化MAR修饰的是其结构域C。实验证明，只要有一个结构域C进入胞浆，就可以杀死细胞。  当然，ADP-核糖化不仅仅用于毒素，而是具有多种功能，所以人体仅PARP就有17种之多。PARP在多种组织细胞中都有表达，其功能涉及DNA修复、转录调节、信号转导以及代谢调控等多个方面。 PARP家族的创始成员PARP-1参与DNA损伤修复，包括碱基切除修复（BER）和双链断裂（DSB）修复。PARP-1响应DNA损伤，修饰组蛋白并募集染色质重塑和损伤修复的相关因子，如CHD2、NHEJ组件等，是修复过程的关键介体。 ADP-核糖化需要消耗NAD+，所以会降低NAD+浓度，影响氧化还原平衡。这会抑制糖酵解、三羧酸循环和氧化磷酸化，减少ATP合成。因此，ADP-核糖化对物质和能量代谢都会产生影响。  ADP-核糖化还会影响蛋白质的泛素化降解。RNF146（一种E3泛素连接酶）可以通过其WWE（Trp-Trp-Glu）结构域结合PAR，从而被募集到有PAR修饰的目标蛋白，促进其泛素化降解。这里，RNF146起着“阅读”PAR，启动下游反应的作用，所以是一种reader。 另一种reader，泛素连接酶CHFR，可以通过其PBZ（PAR结合锌指）结构域结合被自PAR修饰的PARP-1，并促进随后的PARP-1泛素化降解。这是PARP调控自身数量的一种方式。这些reader中识别ADPR的结构统称为ADP-核糖结合结构域（ADP-ribose-binding domain，ARBD）。  负责清除ADPR修饰的eraser包括多种水解酶，如ADP-核糖基水解酶3（ARH3）、PAR糖水解酶（PARG）、TARG / C6orf130、MacroD1和MacroD2以及NUDIX水解酶家族等。 这些eraser作用方式不同，PARG和ARH3催化PAR链断裂，保留末端ADP-核糖部分；NUDIX水解酶家族保留磷酸核糖部分；TARG，MacroD1和MacroD2可以将ADP-核糖完全去除。它们有不同的底物，也有不同的亚细胞定位，这使得PAR可以局部更新，产生复杂的调控。  除蛋白质外，DNA和RNA也可以发生ADP-核糖化反应。有研究表明，RNA可以被单ADP核糖化，人类的PARP10、PARP11、PARP15以及PARP同源物TRPT1作为writer参与RNA磷酸化末端的ADP-核糖化，细胞ADP-核糖基水解酶（PARG、TARG1、MACROD1、MACROD2和ARH3）等可以作为eraser。 参考文献： 1. Julia O’Sullivan, et al. Emerging roles of eraser enzymes in the dynamic control of protein ADP-ribosylation. Nat Commun. 2019; 10: 1182. 2. Deeksha Munnur, et al. Reversible ADP-ribosylation of RNA. Nucleic Acids Res. 2019 Jun 20; 47(11): 5658–5669. 3. Elizaveta E Alemasova, et al. Poly(ADP-ribosyl)ation by PARP1: reaction mechanism and regulatory proteins. Nucleic Acids Res. 2019 May 7; 47(8): 3811–3827. 4. Michael S Cohen, et al. Insights into the biogenesis, function, and regulation of ADP-ribosylation. Nat Chem Biol. 2018 Feb 14; 14(3): 236–243. 5. Esther Veronika Wenzel, et al. Human antibodies neutralizing diphtheria toxin in vitro and in vivo. Sci Rep. 2020; 10: 571. 6. M Yamaizumi, et al. One molecule of diphtheria toxin fragment A introduced into a cell can kill the cell. Cell. 1978 Sep;15(1):245-50. 7. Rebecca Gupte, et al. PARPs and ADP-ribosylation: recent advances linking molecular functions to biological outcomes. Genes Dev. 2017 Jan 15; 31(2): 101–126. 8. Ann-Katrin Hopp, et al. Regulation of Glucose Metabolism by NAD+ and ADP-Ribosylation. Cells. 2019 Aug; 8(8): 890. |
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来自： lcy1971 > 《蛋白质的生物合成》
