Влияние уровня поли(ADP-рибоза)полимеразы 1 на статус системы эксцизионной репарации оснований в клетках человека

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Система эксцизионной репарации оснований (BER) направлена на исправление самой многочисленной группы повреждений ДНК, а именно поврежденных оснований. Основные этапы BER включают распознавание и удаление аберрантного основания, разрезание сахарофосфатного остова ДНК, процессинг бреши (включая встраивание dNMP) и лигирование ДНК. Точное функционирование BER зависит от регуляции каждой стадии процесса регуляторными/вспомогательными белками, наиболее значимый из которых – поли(ADP-рибоза)полимераза 1 (PARP1). PARP1 играет важную роль в репарации ДНК, сохранении целостности генома, а также в регуляции стабильности и распада мРНК, поэтому PARP1 может влиять на BER как на уровне белков, участвующих в процессе, так и на уровне экспрессии кодирующих их мРНК. Систематические данные о влиянии количества PARP1 на активность ключевых белков BER и уровни кодирующих их мРНК в клетках человека пока отсутствуют. В нашей работе с использованием цельноклеточных экстрактов и препаратов РНК, полученных из родительской клеточной линии HEK293T и происходящей из нее линии HEK293T/P1-KD со сниженной экспрессией PARP1 (shPARP1-экспрессирующие клетки, нокдаун PARP1), оценены уровни мРНК, кодирующих белки BER: PARP1, PARP2, урацил-ДНК-гликозилазу (UNG2), AP-эндонуклеазу 1 (APE1), ДНК-полимеразу β (POLβ), ДНК-лигазу III (LIG3) и XRCC1. Параллельно оценена каталитическая активность этих ферментов. Не обнаружено значимого влияния количества PARP1 на уровни мРНК UNG2, APE1, POLβ, LIG3 и XRCC1. В то же время, показано снижение количества мРНК PARP2 в клетках HEK293T/P1-KD в 2 раза. Активности указанных ферментов в цельноклеточных экстрактах клеток HEK293T и HEK293T/P1-KD также не отличались статистически значимо. В условиях синтеза поли(ADP-рибозы) эффективность протекания реакций, катализируемых UNG2, AРE1, POLβ и LIG3, также не изменялась статистически значимо. Кроме того, сниженное количество PARP1 в экстракте клеток HEK293T/P1-KD не приводило к принципиальным изменениям в характере PARилирования ДНК по сравнению с экстрактом клеток родительской линии HEK293T.

Об авторах

Е. С. Ильина

Институт химической биологии и фундаментальной медицины Сибирского отделения Российской академии наук; Новосибирский национальный исследовательский государственный университет

Email: svetakh@niboch.nsc.ru
Россия, 630090, Новосибирск; Россия, 630090, Новосибирск

А. С. Кочеткова

Институт химической биологии и фундаментальной медицины Сибирского отделения Российской академии наук; Новосибирский национальный исследовательский государственный университет

Email: svetakh@niboch.nsc.ru
Россия, 630090, Новосибирск; Россия, 630090, Новосибирск

Е. А. Белоусова

Институт химической биологии и фундаментальной медицины Сибирского отделения Российской академии наук; Новосибирский национальный исследовательский государственный университет

Email: svetakh@niboch.nsc.ru
Россия, 630090, Новосибирск; Россия, 630090, Новосибирск

М. М. Кутузов

Институт химической биологии и фундаментальной медицины Сибирского отделения Российской академии наук; Новосибирский национальный исследовательский государственный университет

Email: svetakh@niboch.nsc.ru
Россия, 630090, Новосибирск; Россия, 630090, Новосибирск

О. И. Лаврик

Институт химической биологии и фундаментальной медицины Сибирского отделения Российской академии наук; Новосибирский национальный исследовательский государственный университет

Email: svetakh@niboch.nsc.ru
Россия, 630090, Новосибирск; Россия, 630090, Новосибирск

С. Н. Ходырева

Институт химической биологии и фундаментальной медицины Сибирского отделения Российской академии наук

Автор, ответственный за переписку.
Email: svetakh@niboch.nsc.ru
Россия, 630090, Новосибирск

Список литературы

  1. Hegde M.L., Hazra T.K., Mitra S. (2008) Early steps in the DNA base excision/single-strand interruption repair pathway in mammalian cells. Cell Res. 18, 27–47.
  2. Almeida K.H., Sobol R.W. (2007) A unified view of base excision repair: lesion-dependent protein complexes regulated by post-translational modification. DNA Repair. 6, 695–711.
  3. Schärer O.D. (2003) Chemistry and biology of DNA repair. Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 42, 2946–2974.
  4. Frosina G., Fortini P., Rossi O., Carrozzino F., Raspaglio G., Cox L.S., Lane D.P., Abbondandolo A., Dogliotti E. (1996) Two pathways for base excision repair in mammalian cells. J. Biol. Chem. 271, 9573–9578.
  5. Klungland A., Lindahl T. (1997) Second pathway for completion of human DNA base excision-repair: reconstitution with purified proteins and requirement for DNase IV (FEN1). EMBO J. 16, 3341–3348.
  6. Ходырева С.Н., Лаврик О.И. (2016) Поли(ADP-рибоза)полимераза 1 – ключевой регулятор репарации ДНК. Молекуляр. биология. 50, 655–673.
  7. Langelier M.F., Eisemann T., Riccio A.A., Pascal J.M. (2018) PARP family enzymes: regulation and catalysis of the poly(ADP-ribose) posttranslational modification. Curr. Opin. Struct. Biol. 53, 187−198.
  8. Alemasova E.E., Lavrik O.I. (2019) Poly(ADP-ribosyl)ation by PARP1: reaction mechanism and regulatory proteins. Nucl. Acids Res. 47, 3811–3827.
  9. Hanzlikova H., Gittens W., Krejcikova K., Zeng Z., Caldecott K.W. (2017) Overlapping roles for PARP1 and PARP2 in the recruitment of endogenous XRCC1 and PNKP into oxidized chromatin. Nucl. Acids Res. 45, 2546–2557.
  10. De Vos M., Schreiber V., Dantzer F. (2012) The diverse roles and clinical relevance of PARPs in DNA damage repair: current state of the art. Biochem. Pharmacol. 84, 137–146.
  11. Mortusewicz O., Amé J.-C., Schreiber V., Leonhardt H. (2007). Feedback-regulated poly(ADP-ribosyl)ation by PARP-1 is required for rapid response to DNA damage in living cells. Nucl. Acids Res. 35, 7665–7675.
  12. Sukhanova M.V. Khodyreva S.N., Lebedeva N.A., Prasad R., Wilson SH., Lavrik O.I. (2005) Human base excision repair enzymes apurinic/apyrimidinic endonuclease1 (APE1), DNA polymerase beta and poly(ADP-ribose) polymerase 1: interplay between strand-displacement DNA synthesis and proofreading exonuclease activity. Nucl. Acids Res. 33, 1222–1229.
  13. Khodyreva S.N., Prasad R., Ilina E.S., Sukhanova M.V., Kutuzov M.M., Liu Y., Hou E.W., Wilson S.H., Lavrik O.I. (2010) Apurinic/apyrimidinic (AP) site recognition by the 5'-dRP/AP lyase in poly(ADP-ribose) polymerase-1 (PARP-1). Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 107, 22090–22095.
  14. Kutuzov M.M., Khodyreva S.N., Ilina E.S., Sukhanova M.V., Amé J.C., Lavrik O.I. (2015) Interaction of PARP-2 with AP site containing DNA. Biochimie. 112, 10–19.
  15. Sukhanova M.V., Hamon L., Kutuzov M.M., Joshi V., Abrakhi S., Dobra I., Curmi P.A., Pastre D., Lavrik O.I. (2019) A single-molecule atomic force microscopy study of PARP1 and PARP2 recognition of base excision repair DNA intermediates. J. Mol. Biol. 431, 2655–2673.
  16. Kurgina T.A., Anarbaev R.O., Sukhanova M.V., Lavrik O.I. (2018). A rapid fluorescent method for the real-time measurement of poly(ADP-ribose) polymerase 1 activity. Anal. Biochem. 545, 91–97.
  17. Matveeva E.A., Mathbout L.F., Fondufe-Mittendorf Y.N. (2019) PARP1 is a versatile factor in the regulation of mRNA stability and decay. Sci. Repts. 91, 1–12.
  18. Belousova E.A., Ishchenko A.A., Lavrik O.I. (2018) DNA is a new target of PARP3. Sci. Rep. 8, 4176.
  19. Kosova A.A., Kutuzov M.M., Evdokimov A.N., Ilina E.S., Belousova E.A., Romanenko S.A., Trifonov V.A., Khodyreva S.N., Lavrik O.I. (2019) Poly(ADP-ribosyl)ation and DNA repair synthesis in the extracts of naked mole rat, mouse, and human cells. Aging (Albany NY). 11, 2852–2873.
  20. Белоусова Е.А., Кутузов М.М., Иванкина П.А., Ищенко А.А., Лаврик О.И. (2018) Новый путь репарации разрывов ДНК с участием PARP3 и белков эксцизионной репарации оснований. ДАН. 482, 96–100.
  21. Talhaoui I., Lebedeva N.A., Zarkovic G., Saint-Pierre C., Kutuzov M.M., Sukhanova M.V., Matkarimov B.T., Gasparutto D., Saparbaev M.K., Lavrik O.I., Ishchenko A.A. (2016) Poly(ADP-ribose) polymerases covalently modify strand break termini in DNA fragments in vitro. Nucl. Acids Res. 44, 9279−9295.
  22. Munnur D., Ahel I. (2017) Reversible mono-ADP-ribosylation of DNA breaks. FEBS J. 284, 4002–4016.
  23. Zarkovic G., Belousova E.A., Talhaoui I., Saint-Pierre C., Kutuzov M.M., Matkarimov B.T., Biard D., Gasparutto D., Lavrik O.I., Ishchenko A.A. (2018) Characterization of DNA ADP-ribosyltransferase activities of PARP2 and PARP3: new insights into DNA ADP-ribosylation. Nucl. Acids Res. 46, 2417−2431.
  24. Lebedeva N.A., Khodyreva S.N., Favre A., Lavrik O.I. (2003) AP endonuclease 1 has no biologically significant 3'–5'-exonuclease activity. Biochem. Biophys. Res. Commun. 300, 182–187.
  25. Драчкова И.А., Петрусева И.О., Сафронов И.В., Захаренко А.Л., Шишкин Г.В., Лаврик О.И., Ходырева С.Н. (2001) Реагенты для модификации белково-нуклеиновых комплексов. II. Сайт-специфическая фотомодификация комплексов ДНК-полимеразы β праймерами, элонгированными экзо-N-замещенными арилазидными производными dCTP. Биоорган. химия. 27, 197–204.
  26. Amé J.C., Kalisch T., Dantzer F., Schreiber V. (2011) Purification of recombinant poly(ADP-ribose) polymerases. Meth. Mol. Biol. 780, 135–152.
  27. Biade S., Sobol R.W., Wilson S.H., Matsumoto Y. (1998) Impairment of proliferating cell nuclear antigen-dependent apurinic/apyrimidinic site repair on linear DNA. J. Biol. Chem. 273, 898–902.
  28. Rio D.C., Ares M. Jr.., Hannon G.J., Nilsen T.W. (2010) Purification of RNA using TRIzol (TRI Reagent). Cold Spring Harb. Protoc. pdb.prot.5439.
  29. Bradford M.A. (1976) Rapid and sensitive method for the quantitation of microgram quantities of protein utilizing the principle of protein-dye binding. Anal. Biochem. 72, 248–254.
  30. Ilina E.S., Lavrik O.I., Khodyreva S.N. (2008) Ku antigen interacts with abasic sites. Biochim. Biophys. Acta. 1784, 1777–1785.
  31. Ilina E.S., Khodyreva S.N., Lavrik O.I. (2018) Unusual interaction of human apurinic/apyrimidinic endonuclease 1 (APE1) with abasic sites via the Schiff-base-dependent mechanism. Biochimie. 150, 88–99.
  32. Laemmli U.K. (1970) Cleavage of structural proteins during the assembly of the head of bacteriophage T4. Nature. 277, 680–685.
  33. Sambrook J., Fritsch E.F., Maniatis T. (1989) Molecular cloning: a laboratory manual. Cold Spring Harbor, N.Y.: Cold Spring Harbor Lab. Press., 2nd Ed.
  34. Savelyev N.V., Shepelev N.M., Lavrik O.I., Rubtsova M.P., Dontsova O.A. (2021) PARP1 regulates the biogenesis and activity of telomerase complex through modification of H/ACA-Proteins. Front. Cell Dev. Biol. 9, 621134.
  35. Doseth B., Visnes T., Wallenius A., Ericsson I., Sarno A., Pettersen HS., Flatberg A., Catterall T., Slupphaug G., Krokan H.E., Kavli B. (2011) Uracil-DNA glycosylase in base excision repair and adaptive immunity: Species differences between man and mouse. J. Biol. Chem. 286, 16669–16680.
  36. Doseth B., Ekre C., Slupphaug G., Krokan H.E., Kavli B. (2012) Strikingly different properties of uracil-DNA glycosylases UNG2 and SMUG1 may explain divergent roles in processing of genomic uracil. DNA Repair (Amst). 11, 587−593.
  37. Mol C.D., Hosfield D.J., Tainer J.A. (2000) Abasic site recognition by two apurinic/apyrimidinic endonuclease families in DNA base excision repair: the 3' ends justify the means. Mutat. Res. 460, 211–229.
  38. Wilson D.M., Barsky D. (2001) The major human abasic endonuclease: formation, consequences and repair of abasic lesions in DNA. Mutat. Res. 485, 283–307.
  39. Prasad R., Dyrkheeva N., Williams J., Wilson S.H. (2015) Mammalian base excision repair: functional partnership between PARP-1 and APE1 in AP-site repair. PLoS One. 10, e0124269.
  40. Суханова М.В., Ходырева С.Н., Лаврик О.И. (2004) Поли(ADP-рибоза)-полимераза-1 ингибирует синтез ДНК с вытеснением цепи, катализируемый ДНК-полимеразой β, Биохимия. 69, 558−568.
  41. Sukhanova M., Khodyreva S., Lavrik O. (2010) Poly(ADP-ribose) polymerase 1 regulates activity of DNA polymerase beta in long patch base excision repair. Mutat. Res. − Fundam. Mol. Mech. Mutagen. 685(1−2), 80−89.
  42. Lebedeva N.A., Rechkunova N.I., El-Khamisy S.F., Lavrik O.I. (2012) Tyrosyl-DNA phosphodiesterase 1 initiates repair of apurinic/apyrimidinic sites. Biochimie. 94, 1749−1753.
  43. Srivastava D.K., Berg B.J., Prasad R., Molina J.T., Beard W.A., Tomkinson A.E., Wilson S.H. (1998) Mammalian abasic site base excision repair. Identification of the reaction sequence and rate-determining steps. J. Biol. Chem. 273, 21203–21209.
  44. Kutuzov M.M., Khodyreva S.N., Amé J.C., Ilina E.S., Sukhanova M.V., Schreiber V., Lavrik O.I. (2013) Interaction of PARP-2 with DNA structures mimicking DNA repair intermediates and consequences on activity of base excision repair proteins. Biochimie. 95, 1208−1215.
  45. Kutuzov M.M., Belousova E.A., Kurgina T.A., Ukraintsev A.A., Vasil’eva I.A., Khodyreva S.N., Lavrik O.I. (2021) The contribution of PARP1, PARP2 and poly(ADP-ribosyl)ation to base excision repair in the nucleosomal context. Sci. Rep. 11, 4849.
  46. Caldecott K.W. (2019) XRCC1 protein; form and function. DNA Repair (Amst). 81, 102664.
  47. Моор Н.А., Лаврик О.И. (2018) Белок-белковые взаимодействия системы эксцизионной репарации оснований ДНК. Биохимия. 83, 564−576.
  48. Parsons J.L., Dianov G.L. (2013) Co-ordination of base excision repair and genome stability. DNA Repair (Amst).12, 326−333.
  49. Edmonds M.J., Parsons J.L. (2014) Regulation of base excision repair proteins by ubiquitylation. Exp. Cell. Res. 329, 132−138.
  50. Fang Q., Inanc B., Schamus S., Wang X.H., Wei L., Brown A.R., Svilar D., Sugrue K.F., Goellner E.M., Zeng. X, Yates N.A., Lan L., Vens C., Sobol R.W. (2014) HSP90 regulates DNA repair via the interaction between XRCC1 and DNA polymerase β. Nat. Commun., 5, 5513.

Дополнительные файлы


© Е.С. Ильина, А.С. Кочеткова, Е.А. Белоусова, М.М. Кутузов, О.И. Лаврик, С.Н. Ходырева, 2023