NCB | 揭示频发的DNA单链断裂事件中PARP1如何触发细胞功能障碍

撰文 | Qi

DNA单链断裂 （single-strand breaks, SSBs ） 是细胞中最常见的DNA损伤类型之一，每个细胞每天发生约数万次，而修复过程中的遗传缺陷可导致由单链断裂传感器蛋白——聚ADP核糖聚合酶1 （poly ADP- ribose polymerase-1, PARP-1 ） 的毒性活动所引发的神经系统疾病，如小脑共济失调、神经发育迟缓和癫痫发作等 【1】 。具体来说，单链断裂可被PARP1快速检测到，与受损DNA结合后被催化激活，将ADP核糖聚合到多种底物，如自身、组蛋白和参与DNA修复的其他蛋白质。ADP核糖化可以通过多种方式加速SSBs修复，例如通过修改断裂附近的染色质结构或招募特定的DNA修复因子，如 XRCC1 【2】 。

XRCC1 是一种支架蛋白，被募集到受损DNA处后可通过与DNA聚合酶β、DNA连接酶III等相互作用来协调DNA修复过程 【3, 4】 。XRCC1的突变也会导致神经发育障碍和进行性神经变性 【1】 。有趣的是，在Xrcc1缺陷小鼠模型中，PARP1的缺失或抑制可以大大降低SSBs相关神经疾病的病理表现，提示异常的PARP1活性是SSBs所诱导的神经病理学改变的来源 【5】 。然而，关于异常的PARP1活性如何触发细胞功能障碍的分子机制尚不清楚。

2021年11月22日，来自英国苏塞克斯大学的Keith W. Caldecott团队在Nature Cell Biology杂志上发表了一篇题为  XRCC1 protects transcription from toxic PARP1 activity during DNA base excision repair  的文章，这项研究表明 在异常的PARP1活性通过促进去泛素蛋白酶USP3的募集和活性，降低对转录调控尤为重要的单泛素化组蛋白的整体水平，从而抑制碱基切除修复 （base excision repair, BER） 过程中的转录恢复。 相反，PARP1或USP3的抑制或缺失则会挽救上述过程，强调了两者作为BER缺陷性神经系统疾病治疗靶点的可能性。

该团队首先观察到在双氧水处理后人XRCC1^-/- RPE-1及U2OS细胞系中的整体转录缺陷，考虑到先前报道的PARP1的缺失对Xrcc1缺陷小鼠神经病理学改变的影响 【5】 ，作者想知道PARP1缺失是否能够促进XRCC1^-/-缺陷细胞系中的转录恢复。正如EU脉冲标记、RNAPI灶点和RNAPII磷酸化等指标所显示，通过抑制PARP1可以挽救这些细胞的转录缺陷，反过来可以推断XRCC1对于阻止有毒的PARP1活性是十分重要的。

接下来，作者利用不同的蛋白截断体来确认XRCC1发挥对PARP1有毒活性抑制的结构域。其中，编码蛋白中间三分之一的片段 （标记为Myc-His-XRCC1^161-406） 足以恢复XRCC1^-/- U2OS 细胞中的转录水平 （图1） 。有意思的是，这个片段并非XRCC1作为分子支架与其他参与DNA修复过程相互作用的结构域，联系在双氧水处理后Myc-His-XRCC1^161-406免疫沉淀中最丰富的的核糖化蛋白是PARP1的结果，说明XRCC1最有可能直接调节PARP1本身。与此猜想一致，重组全长XRCC1和XRCC1^161-406均能减少PARP1的体外自体核糖化，而不能结合聚 （ADP-核糖） 的该结构域突变体则无法影响PARP1的自核糖化。这一发现指出XRCC1除了作为支架蛋白的又一功能。

图1. 截断体实验证明XRCC1^161-406作为发挥对PARP1毒性抑制作用的重要结构域

那么异常的PARP1自核糖化活性在BER期间抑制转录恢复的机制是什么呢？鉴于先前已经报道PARP1可以通过ADP核糖化组蛋白影响转录 【6】 ，作者首先检查了组蛋白ADP核糖化所需的PARP1蛋白质伴侣HPF1缺失的后果。然而，虽然阻止了组蛋白ADP核糖化，但未能如愿恢复转录水平。在这个过程中，作者发现H2AmUb和H2BmUb （单泛素化的组蛋白H2A和H2B） 的整体水平显著降低，尤其需要注意H2BmUb，它可以通过包括染色质结构松弛、促进RNAP延伸和调节不同转录调节因子活性的方式来促进转录活性 【7】 。这说明异常的PARP活性可能通过降低组蛋白单泛素化的机制来影响转录。

为了验证这个想法，作者利用siRNA耗竭已知可以使得H2A和H2B去泛素化的酶。其中，siRNA-USP3组在双氧水处理后几乎完全挽救XRCC1^-/- RPE-1细胞的转录缺陷，同时也阻止了组蛋白单泛素化的PARP1依赖性降低。此外，如果用PARP抑制剂处理细胞则可以防止GFP标记的USP3在染色质中的积累。这些结果提示，PARP1通过触发去泛素化蛋白酶USP3的异常募集来抑制组蛋白单泛素化和转录恢复。总的来说， 这项研究解释了异常的PARP1活性引发细胞功能障碍可能的分子机制，同时也突出PARP1和USP3作为BER缺陷性神经系统疾病候选治疗靶点的重要价值。

原文链接：

https://doi.org/10.1038/s41556-021-00792-w

制版人：十一

参考文献

1. Yoon, G. & Caldecott, K. W. Nonsyndromic cerebellar ataxias associated with disorders of DNA single-strand break repair. Handb. Clin. Neurol. 155, 105–115 (2018).

2. Caldecott, K. W. Protein ADP-ribosylation and the cellular response to DNA strand breaks. DNA Repair 19, 108–113 (2014).

3. Kubota, Y. et al. Reconstitution of DNA base excision-repair with purified human proteins: interaction between DNA polymerase β and the XRCC1 protein. EMBO J. 15, 6662–6670 (1996).

4. Caldecott, K. W., McKeown, C. K., Tucker, J. D., Ljungquist, S. & Thompson, L. H. An interaction between the mammalian DNA repair protein XRCC1 and DNA ligase III. Mol. Cell Biol. 14, 68–76 (1994).

5. Hoch, N. C. et al. XRCC1 mutation is associated with PARP1 hyperactivation and cerebellar ataxia. Nature 541, 87–91 (2017).

6. Bartlett, E. et al. Interplay of histone marks with serine ADP-ribosylation. Cell Rep. 24, 3488–3502 (2018).

7. Fierz, B. et al. Histone H2B ubiquitylation disrupts local and higher-order chromatin compaction. Nat. Chem. Biol. 7, 113–119 (2011).

转载须知

【原创文章】BioArt原创文章，欢迎个人转发分享，未经允许禁止转载，所刊登的所有作品的著作权均为BioArt所拥有。BioArt保留所有法定权利，违者必究。