ADP核糖基化对DNA损伤修复的调控

摘要 DNA链断裂在细胞中持续发生，可导致染色体重排和基因组不稳定或细胞死亡。最常见的是DNA单链断裂，单个细胞每天可成千上万次发生，会阻碍RNA/DNA 聚合酶的反应，干扰基因转录和基因组复制。如果DNA单链断裂没有得到及时修复，在基因组复制过程中会演变转变为DNA双链断裂，从而激活一系列的DNA损伤反应。在DNA的损伤修复途径中，ADP核糖基化行使了非常重要的功能，本文将详细阐述ADP核糖基化参与的具体DNA损伤修复途径。

关键词 ADP核糖基化；DNA损伤；修复

中图分类号 P361.3 文献标识码 A 文章编号 1007-5739（2015）18-0273-02

ADP核糖基化指的是烟酰胺腺嘌呤二核苷酸中的ADP核糖基部分与某些蛋白质的氨基酸残基发生共价连接反应，从而影响蛋白质的功能。ADP核糖基化由ADP核糖转移酶（ADPRTS）来完成，动物细胞有一个很大的ADP核糖转移酶基因家族，在这个基因家族中，有的具有多聚ADP核糖基团转移活性（poly ADP ribosylation），对底物进行多聚ADP核糖基化修饰；有的具有单一ADP核糖基团转移活性（momo-ADP ribosylation），对底物进行单个ADP核糖基化修饰[1-3]。在DNA损伤过程中，可检测的多聚ADP核糖基化，多聚转移酶PARP-1占据了80%～90%。PARP-1也可以进行自身ADP核糖基化修饰，在较小程度上，也可以对其他DNA修复蛋白和组蛋白进行短暂的ADP核糖基化修饰。现将ADP参与的具体DNA损伤修复途径介绍如下。

1 ADP核糖基化与DNA单链断裂修复（SSBR）

1.1 ADP核糖基化与DNA单链断裂（SSBs）

DNA单链断裂是一种最常见的DNA损伤，与可遗传的神经变性疾病密切相关[4]，SSBs可由糖氧化损伤直接产生，也可由DNA碱基切除修复（BER）或DNA拓扑异构酶1（TOP1）失活间接产生。到目前为止，PARP-1在ADPRT家族中是唯一被证明参与SSBs修复过程的[5]。PARP-1是一种核定位蛋白，在遗传稳定性、细胞抗电离辐射和烷基化损伤等方面发挥着重要功能[6-9]。PARP-1除了与其参与的DNA损伤修复过程一致的表型外，还有一些其他的表型，因为PARP-1还具有通过调整染色质结构调控基因转录的功能[10-11]。

PARP-1通过2个锌指结构域结合DNA断裂链，结合后，其活性将被迅速激活到500倍以上。这种结合是一个非常短暂的过程，因为其自ADP核糖基化会导致其从DNA链上脱离下来。多聚ADP核糖基团在几分钟内会被多聚ADP核糖水解酶降解。PARP-1与DNA断裂链的脱离有利于其他DNA修复蛋白与断裂链的结合。

1.2 ADP核糖基化与DNA单链断裂修复（SSBR）

ADP核糖转移酶的合成促进DNA单链断裂修复，比如脱氧核糖分解导致的DNA单链氧化断裂。由于这些断裂在核基因组上随机发生，需要这样的一个感受因子去发现并修复这些断裂。PARP-1促进SSBR的途径之一是通过促进XRCC1的积累来发挥功能。XRCC1可与其他的SSBR酶复合体组分直接互作，可促进SSBR酶复合体的形成并维持其稳定性。XRCC1有一个BRC保守结构域，可与核糖基化的PARP结合，因此PARP通过自ADP核糖基化来促进XRCC1和其他互作的蛋白因子在DNA断裂链的积累，从而完成修复过程[12]。

除了XRCC1的积累之外，染色质结构的调控也是PARP-1促进SSBR的途径。PARP-1可通过组蛋白ADP核糖基化，组蛋白分子伴侣、染色质重塑因子的积累来调整染色质结构，通过调控基因转录来促进SSBR过程[13-15]。 

2 ADP核糖基化与DNA 复制过程中的DNA损伤修复

大量证据PARP-1参与了全基因组SSBs的修复。未修复的SSBs在细胞分裂S期，会导致复制叉的解体，从而演变成DNA双链断裂（DSBs），这需要通过同源重组（HR）的方式来进行修复，大量证据表明PARP-1在该过程发挥了重要功能。在外施喜树碱（CPT）诱导SSBs或TOP1失活剂的情况下，PARP-1可阻止脊椎动物复制叉的解体。此外，在复制叉已经解体的情况下，PARP-1可引导对SSBs演变成的DSBs进行HR修复而不是不利于基因稳定遗传的NHEJ（非同源重组黏性末端结合）修复。在DT40细胞中，PART-1突变体对CPT高度敏感，这种表型可在抑制KU80和Lig4基因（参与NHEJ的相关基因）的情况下得以回复。同样，在外施PARP抑制剂的情况下，HR途径会受到抑制，这种抑制™在NHEJ相关基因突变的情况下得到恢复[16]。

3 ADP核糖基化与非同源重组黏性末端结合（NHEJ）

在NHEJ途径中，主要依赖于NHEJ关键因子Ku、DNA-PKcs和Lig4，该途径又被称为传统的NHEJ（C-NHEJ）途径；除此之外，还存在另外一种A-NHEJ途径，虽然它不是最主要的NHEJ，但其在染色体重排和基因组稳定性方面同样发挥着重要功能[17-19]。

3.1 ADP核糖基化与C-NHEJ

多个证据表明，ADP核糖基化参与了NHEJ途径，比如：PARP-1可以结合DSBs，并被激活；PARP-1可与Ku、DNA-PKcs直接互作；PARP-1可以招募染色体重塑酶SMARCA5/SNF2H。但在PARP-1突变体试验中，并没有太多的证据表明PARP-1促进了C-NHEJ途径，也许PARP-1参与的是A- NHEJ途径[20]。尽管PARP-1在C-NHEJ途径中的功能未知，但在C-NHEJ过程中确实存在蛋白ADP核糖基化修饰。在参与C-NHEJ的很多蛋白，包括Ku70都存在结合单一或多聚ADP核糖基团的结构域。最近报道的APLF带有结合多聚ADP核糖基团的PBZ结构域。APLF虽然不为NHEJ所必需，但可促进这一进程[21-26]。奇怪的是，APLF参与C-NHEJ途径依赖的并不是PARP-1，而是PARP-3。PARP-3与PARP-1有诸多不同，比如它为DSBs所激活的程度不如PARP-1高。此外，它对靶蛋白多进行单一ADP核糖基修饰，而非PARP-1行使的多聚修饰方式[27-28]。

3.2 ADP核糖基化与A-NHEJ

相对于C-NHEJ途径而言，PARP-1确切地参与了A-NHEJ过程[29-31]。A-NHEJ是一种不依赖于Ku和DNA-PKcs的途径，主要包括2种方式：一种是根据DNA微同源序列利用DNA连接酶3（DNA Lig3）进行修复；另一种不依赖于DNA微同源序列利用DNA连接酶1（DNA Lig1）进行修复[32-33]。A-NHEJ可在细胞中轻易检测到，在细胞不同周期、不同发育期动态发生，尤其在G2时期达到最高值[34-36]。A-NHEJ解释了包括DSBs诱导的染色体易位、基因重排和端粒融合等多种现象[37-41]。PARP-1在A-NHEJ过程中，可能行使了招募DNA连接酶3进行DNA连接的功能，具体还有待研究。

4 展望

尽管在ADP核糖基化对DNA损伤修复的调控方面取得了大量的研究成果，但是在评价PARP在DNA修复中的功能时，PARP抑制剂的使用对试验结果的准确性造成了一定的影响，因为它在试验过程中将会导致额外的DNA损伤，这种损伤不能等价于在PARP缺失时造成的DNA损伤。同时，在DNA损伤以后，多聚ADP核糖基化的关键靶点现在仍然未知。随着质谱技术的发展，将为检测和分析多聚ADP核糖基化修饰的靶蛋白提供了强有力的工具，为揭示DNA损伤修复的奥秘提供更多的科学依据。这些研究将有助于人们了解基因突变和进化的机制。

5 参考文献

[1] M O HOTTIGER，HASSA P O，L？CSCHER B，et al.Toward a unifiednom-enclature for mammalian ADPribosyltransferases[J].Trends in Biochem Sci，2010，35：208-219.

[2] LANGELIER M F，PASCAL J M.PARP-1 mechanism for coupling DNA damage detection to poly（ADPribose）synthesis[J].Curr Opin Struct Biol，2013，23：134-143.

[3] HASSLER M，LADURNER A G.Towards a structural understanding of PARP1 acti-vation and related signalling ADPribosyl-transferases[J].Curr Opin Struct Biol，2012，22：721-729.

[4] CALDECOTT K W.Single-strand break repair and genetic disease[J].Nat Rev Genet，2008，9：619-631.

[5] SCHREIBER V，AMé J C，DOLLé P，et al.Poly（ADPribose）polymerase-2（PARP-2）is required for efficient base excision DNA repairin assoc-iation with PARP-1 and XRCC1[J].J Biol Chem，2002，277：23028-23036. [6] MURCIA G D，MURCIA J M.Poly（ADPribose）polymerase：a molecular-nick-sensor[J].Trends Biochem Sci，1994，19：172-176.

[7] FAGAGNA F A，HANDE M P，TONG W M，et al.Functions of poly（ADPribose）polymerase in controlling telomerelength and chromosomal stability[J].Nat Genet，1999，23：76-80.

[8] SIMBULAN-ROSENTHAL C M，HADDAD B R，ROSENTHAL D S，et al.Chromosomal aberrations in PARP（-/-）mice：genome stabilizationin immortalized cells by reintroduction of poly（ADPribose）polymerase cDNA[J].Proc Nat Acad Sciจ USA，1999，96：13191-13196.

[9] MURCIA J M，NIEDERGANG C，TRUCCO C，et al.Requirement of poly（ADPribose）polymerase in recovery from DNA damagein mice and in cells[J].Proc Nat Acad Sci USA，1997，94：7303-7307.

[10] SANDERSON R J，LINDAHL T.Down-regulation of DNA ฉrepair synthesis at DNA single-strand interruptions in poly（ADPribose）polymerase-1 deficient murinecell extracts[J].DNA Repair（Amst.），2002，1：547-558.

[11] KRAUS W J，HOTTIGER M O.PARP-1 and gene regulation：progress and puzzles[J].Mol Aspects Med，2013，34：1109-1123.

[12] CALDECOTT K W.XRCC1 and DNA strand break repair[J].DNA Repair（Amst.），2003，2：955-969.

[13] CALDECOTT K W.Mammalian single-strand break repair：mechanisms and linkswith chromatin[J].DNA Repair（Amst.），2007，6：443-453.

[14] ILES N，RULTEN S，EL-KHAMISY S F，et al.APLF（C2orf13）is a novelhuman protein involved in the cellular response to chromosomal DNA strandbreaks[J].Mol Cell Biol，2007，27：3793-3803.

[15] RULTEN S L，LEDESMA F C，GUO L，et al.APLF（C2orf13）is a novel component of poly（ADPribose）signaling in mammalian cells[J].Mol Cell Biol，2008，28：4620-4628.

[16] CHAUDHURI A R，HASHIMOTO Y，HERRADOR R，et al.Topoisome-rase I poisoning results in PARP-mediated replicationfork reversal[J].Nat Struct Mol Biol，2012，19：417-423.

[17] CHIRUVELLA K K，LIANG Z，WILSON T E.Repair of double-strand breaks by endjoining，Cold Spring Harbor Perspect[J].Biol，2013，5：a012757.

[18] KASPAREK T R，HUMPHREY T C.DNA double-strand break repair pathways，chro-mosomal rearrangements and cancer[J].Semin Cell Dev Biol，2011，22：886-897.

[19] MLADENOV E，ILIAKIS G.Induction and repair of DNA double strand breaks：theincreasing spectrum of non-homologous end joining pathways[J].Mutat Res，2011，711：61-72.

[20] IKEJIMA M，NOGUCHI S，YAMASHITA R，et al.Thezinc fingers of human poly（ADPribose）polymerase are differentially requiredfor the recognition of DNA breaks and nicks and the consequent enzymeactiva-tion. Other structures recognize intact DNA[J].J Biol Chem，1990，265：21907-21913. [21] AHEL I，AHEL D，MATSUSAKA T，et al.Poly（ADPribose）-binding zinc finger motifs in DNA repair/checkpoint proteins[J].Nature，2008，451：81-85.

[22] EUSTERMANN S，BROCKMANN C，MEHROTRA P V，et al.Solution structures of the two PBZ domains from human APLF and theirandtheir interaction with poly（ADPribose）[J].Nat Struct Mol Biol，2010，17：241-243.

[23] LI G Y，MCCULLOCH R D，FENTON A L，et al.Struc-ture and identif-ication of ADPribose recognition motifs of APLF and role in theDNA damage response[J].Proc Nat Acad Sci USA，2010，107：9129-9134.

[24] OBEROI J，RICHARDS M W，CRUMPLER S，et al.Struc-tural basis of poly（ADPribose）recognition by the multizinc binding domain ofcheck-point with forkhead-associated and RING Domains（CHFR）[J].J Biol Chem，2010，285：39348-39358.

[25] GRUNDY G J，RULTEN S L，ZENG Z，et al.APLF promotes the assem-bly and activity of non-homologous end joining pro-tein complexes[J].EMBO J，2013，32：112-125..

[26] LI S，KANNO S I，WATANABE R，et al.Polynu-cleotide kinase and aprataxin-like forkhead-associated protein（PALF）acts asboth a single-stranded DNA endonuclease and a single-stranded DNA exonu-cleaseฌ and can participate in DNA end joining in a biochemical system[J].J Biol Chem，2011，286：36368-36377.

[27] LOSEVA O，JEMTH A S，BRYANT H E，et al.PARP-3 is a mono-ADPribosylase that activates PARP-1 in the absence of DNA[J].J Biol Chem，2010，285：8054-8060.

[28] COUTO C A M，WANG H Y，GREEN J C A，et al.PARP regulates nonhomologous end joining through retention of Ku at double-strand breaks[J✿].J Cell Biol，2011，194（3）：367-375.

[29] WANG M，WU W，WU W，et al.PARP-1 and Kucompete for repair of DNA double strand breaks by distinct NHEJ pathways[J].Nucleic Acids Res，2006，34：6170-6182.

[30] AUDEBERT M，SALLES B，CALSOU P.Involvement of poly（ADPribose）polymerase-1 and XRCC1/DNA ligase III in an alternative route for DNA double-strand breaksrejoining[J].J Biol Chem，2004，279：55117-55126.

[31] SIMSEK D，BRUNET E，WONG S Y W，et al.DNAligase III promotes alternative nonhomologous end-joining during chromo-somal transloca-tion formation[J].PLoS Genet，2011，7：e1002080.

[32] WANG H，ROSIDI B，PERRAULT R，et al.DNAligase III as a candidate component of backup pathways of nonhomologousend joining[J].Cancer Res，2005，65：4020-4030.

[33] WU W，WANG M，WU W，et al.Repair of radiationinduced DNA double strand breaks by backup NHEJ is enhanced in G2[J].DNA Repair（Amst.），2008，7：329-338. [34] ILIAKIS G.Backup pathways of NHEJ in cells of higher eukaryotes：cell cycledependence[J].Radiother Oncol，2009，92：310-315.

[35] CHIRUVELLA K K，SEBASTIAN R，SHARMA S，et al.Time-depend-ent predominance of nonhomologous DNA end-joiningpathways during embryonic development in mice[J].J Mol Biol，2012，417：197-211.

[36] WEINSTOCK D M，BRUNET E，JASIN M.Formation of NHEJ-derived reciprocal chro-mosomal translocations does not require Ku70[J].Nat Cell Biol，2007，9：978-981.

[37] SIMSEK D，JASIN M.Alternative end-joining is suppressed by the canonical NHEJcomponent XRCC4-ligase IV during chromosomal translocation formation[J].Nat Struct Mol Biol，2010，17：410-416.

[38] BOBOILA C，JANKOVIC M，YAN C T，et al.Alternative end-joining catalyzes robust IgH locus deletions and translocationsin the combined absence of ligase 4 and Ku70[J].Proc Nat Acad Sci USA，2010，107：3034-3039.

[39] YAN C T，BOBOILA C，SOUZA E K，et al.IgH class switching and translocations use a robust non-classical end-joiningpathway[J].Nature，2007，449：478-482.

[40] SFEIR A，LANGE T D.Removal of shelterin reveals the telomere end-protectionproblem[J].Science，2012，336：593-597.

[41] ROBERT I，DANTZER F，REINA-SAN-MARTIN B.PARP1 facilitates alternative NHEJ，whereas PARP2 suppresses IgH/c-myc translocations during immunoglobulinclass switch recombination[J]. J Exp Med，2009， 206：1047-1056.