ADPリボシル化

モノ(ADP-リボシル)トランスフェラーゼは、酵素の高度に保存されたRS-EXEモチーフを使用して、アルギニン側鎖へのADP-リボースの付加を一般的に触媒します。[ 13 ]この^反応は、ニコチンアミドとリボースの間の結合を切断してオキソニウムイオンを形成することによって進行します。次に、標的タンパク質のアルギニン側鎖が求核剤として働き、オキソニウムイオンに隣接する求電子炭素を攻撃します。このステップが起こるためには、アルギニン求核剤が触媒酵素上のグルタミン酸残基によって脱プロトン化されます。別の保存されたグルタミン酸残基がリボース鎖上のヒドロキシル基の1つと水素結合を形成し、この求核攻撃をさらに促進します。切断反応の結果、ニコチンアミドが放出されます。この修飾は、（ADP-リボシル）ヒドロラーゼによって元に戻すことができ、この酵素はアルギニンとリボースの間のN-グリコシド結合を切断してADP-リボースと未修飾のタンパク質を放出します。NAD ⁺は逆反応では回復しません。

ポリ(ADP-リボース)ポリメラーゼ(PARP)は主に真核生物に存在し、複数のADP-リボース分子を標的タンパク質に転移させる反応を触媒します。モノ(ADP-リボシル)化と同様に、ADP-リボースの供給源はNAD ⁺です。PARPはHis-Tyr-Gluの触媒三残基を使用してNAD ⁺の結合と標的タンパク質上の既存のポリ(ADP-リボース)鎖の末端の位置付けを促進します。Gluは触媒作用を促進し、2つのリボース分子間に(1 '' →2') O-グリコシド結合を形成します。ポリ(ADP-リボース)鎖を認識し、加水分解したり、分岐を形成したりする他の酵素もいくつかあります。800を超えるタンパク質が、漠然と定義されたポリ(ADP-リボース)結合モチーフを含むと注釈されています。したがって、この修飾は標的タンパク質の立体構造や構造を変化させるだけでなく、他のタンパク質をリクルートするためのタグとして、あるいは標的タンパク質の調節にも使用できる可能性がある。^{[ 14 ]}

DNA損傷や細胞ストレス時にはPARPが活性化され、ポリ(ADP-リボース)の量が増加し、NAD ⁺の量が減少する。^{[ 24 ]} 10年以上にわたり、PARP1は哺乳類細胞における唯一のポリ(ADP-リボース)ポリメラーゼであると考えられていたため、この酵素が最も研究されてきた。カスパーゼは、プログラム細胞死において重要な役割を果たすことが知られているシステインプロテアーゼのファミリーである。このプロテアーゼはPARP-1を2つの断片に切断し、完全に不活性化してポリ(ADP-リボース)の産生を制限する。その断片の1つは核から細胞質に移動し、自己免疫の標的になると考えられている。

カスパーゼ非依存性アポトーシス（パルタナトスとも呼ばれる）では、PARPの活性化またはポリ（ADP-リボース）グリコヒドロラーゼ（ポリ（ADP-リボース）を加水分解して遊離ADP-リボースを生成する酵素）の不活性化により、ポリ（ADP-リボース）の蓄積が起こる可能性がある。研究によると、ポリ（ADP-リボース）はアポトーシス誘導因子タンパク質の核への移行を促進し、そこでDNA断片化を媒介することが示されている。ストレス条件下でカスパーゼ活性化が失敗した場合、ネクロトーシスが起こると示唆されている。PARPの過剰活性化は、腫瘍壊死因子タンパク質によって制御される壊死性細胞死につながる。メカニズムはまだ解明されていないが、PARP阻害剤はネクロトーシスに影響を与えることが示されている。^{[ 25 ]}

ADPリボシル化は、クロマチン構造、転写因子のリクルートと結合、mRNAプロセシングなど、ほぼすべての調節レベルで遺伝子発現に影響を与える可能性がある。

ヌクレオソームの構造は遺伝子発現の調節において重要な役割を果たします。ヌクレオソームの間隔や構造によって、転写機構が結合してDNAを転写できるDNA領域が変化するからです。ポリADPリボースポリメラーゼであるPARP1は、ヒストンの修飾を介してクロマチン構造に影響を与え、ヌクレオソームの構造変化を促進することが示されています。

PARPは転写因子の構造に影響を与え、多くの転写因子をDNA上で複合体形成させ、転写を誘導することが示されている。モノ（ADP-リボシル）トランスフェラーゼもまた、プロモーターにおける転写因子の結合に影響を与えることが示されている。例えば、モノ（ADP-リボシル）トランスフェラーゼであるPARP14は、STAT転写因子の結合に影響を与えることが示されている。

他の（ADP-リボシル）トランスフェラーゼは、 mRNAに結合するタンパク質を修飾し、その遺伝子転写産物のサイレンシングを引き起こすことが示されている。^{[ 26 ]}

ポリ(ADP-リボース)ポリメラーゼ(PARP)は、二本鎖切断だけでなく一本鎖切断のDNA修復にも機能する。一本鎖切断修復(塩基除去修復)では、PARPは酸化糖の除去または鎖切断を促進することができる。PARP1は一本鎖切断に結合し、近くにある塩基除去修復中間体を近くに引き寄せる。これらの中間体にはXRCC1とAPLFが含まれ、直接またはAPLFのPBZドメインを介してリクルートされる。^{[ 27 ]}これにより、ポリ(ADP-リボース)の合成が起こる。PBZドメインはDNA修復に関与する多くのタンパク質に存在し、PARPの結合を可能にし、それによってADPリボシル化が起こり、修復因子が切断部位で相互作用するようにリクルートされる。PARP2はDNA損傷に対する二次応答因子であるが、DNA修復において機能的冗長性を提供する役割を果たす。^{[ 28 ]}

損傷した二本鎖DNAの修復には多くのメカニズムがある。PARP1は代替非相同末端結合におけるシナプス因子として機能する可能性がある。さらに、PARP1はDNA損傷後の複製フォークの速度を遅くし、機能不全の複製フォークでの相同組換えを促進するために必要であると提唱されている。PARP1とPARP3は二本鎖DNAの修復で協働する可能性があり、PARP3は二本鎖切断の解消に不可欠であることが示されている。PARP1とPARP3が一致する2つの仮説がある。最初の仮説は、2つの（ADP-リボシル）トランスフェラーゼが互いの不活性を補う役割を果たすというものである。PARP3が失われると、一本鎖切断が生じ、PARP1がリクルートされる。2番目の仮説は、2つの酵素が協働することを示唆している。 PARP3はモノ(ADP-リボシル)化と短いポリ(ADP-リボシル)化を触媒し、PARP1を活性化する。^{[ 28 ]}

PARPはDNA損傷部位に多くのタンパク質標的を持つ。KU タンパク質とDNA-PKcsはどちらも二本鎖切断修復に関わるタンパク質であり、ADPリボシル化部位は不明である。ヒストンもPARPのタンパク質標的の一つである。すべてのコアヒストンとリンカーヒストンH1は、DNA損傷後にADPリボシル化される。これらの修飾の機能はまだ不明であるが、ADPリボシル化は高次クロマチン構造を調節し、修復因子がDNA損傷部位へ移動しやすくする働きをしていると考えられている。

ユビキチン-プロテアソーム系（UPS）はタンパク質分解において重要な役割を果たしている。26Sプロテアソームは触媒サブユニット（20Sコア粒子）と調節サブユニット（19Sキャップ）から構成される。^{[ 29 ]}ポリユビキチン鎖はタンパク質をプロテアソームによる分解のために標識し、標識されたタンパク質は加水分解されてより小さなペプチドになる。

生理学的には、PI31は26Sプロテアソームの20S触媒ドメインを攻撃し、その結果プロテアソーム活性が低下します。(ADP-リボシル)トランスフェラーゼTankyrase(TNKS)はPI31のADP-リボシル化を引き起こし、その結果プロテアソーム活性が増加します。TNKsの阻害は、26Sプロテアソームの組み立ての減少をさらに示します。したがって、ADP-リボシル化はショウジョウバエ細胞とヒト細胞の両方で26Sプロテアソーム活性を促進します。^{[ 30 ]}

一部の酵素の活性はADPリボシル化によって調節される。例えば、Rodospirillum rubrumのジニトロゲナーゼ還元酵素の活性は、アルギニン残基のADPリボシル化によって停止され、ADPリボシル基の除去によって再活性化される。^{[ 31 ]}

PARP1は、塩基除去修復（BER）、一本鎖および二本鎖切断修復、染色体安定性に関与しています。また、タンパク質間相互作用を促進することで転写調節にも関与しています。PARP1は、アポトーシスにおいてその機能を果たすためにNAD ^+を使用します。PARPが過剰に活性化すると、細胞内のNAD ⁺補因子レベルとATPレベルが低下し、壊死を起こします。これは、癌の増殖中に生存上の利点があるため、PARP1欠損細胞（枯渇細胞ではない）の選択につながる可能性があるため、発癌において重要です。 ^{[ 32 ]}

PARP1欠損下での発がん感受性は、発生したDNA損傷の種類に大きく依存する。様々なPARPが発がん防止に関与していることを示唆する多くの知見がある。前述のように、PARP1とPARP2はBERと染色体安定性に関与している。PARP3は中心体制御に関与している。タンキラーゼはテロメア長制御に関与する別の（ADP-リボシル）ポリメラーゼである。 ^{[ 5 ]}

PARP1阻害は、抗がん治療においても広く研究されている。PARP1阻害剤の作用機序は、BRCA1/2欠損個体においてPARP1の修復機能を阻害することにより、化学療法による癌DNAへの損傷を増強することである。

PARP14は、がん治療の標的としてよく研究されている別のADPリボシル化酵素です。これはシグナル伝達因子であり、STAT6転写相互作用タンパク質の活性化因子であり、B細胞リンパ腫の悪性度と関連していることが示されています。^{[ 32 ]}

^{細菌性ADPリボシル化外毒素（bARE）は、NAD +}のADPリボース部分を感染した真核生物の標的タンパク質に共有結合的に転移させ、ニコチンアミドと遊離水素イオンを生成する。bAREは、「A」ドメインと「B」ドメインからなる酵素前駆体として生成される。「A」ドメインはADPリボシル化活性を担い、「B」ドメインは酵素を細胞膜を介して輸送する役割を担う。これらのドメインは、3つの形態で共存することができる。1つ目は、AドメインとBドメインが共有結合で連結された単一のポリペプチド鎖として。2つ目は、AドメインとBドメインが非共有結合で結合した多タンパク質複合体として。3つ目は、処理前にAドメインとBドメインが直接相互作用しない多タンパク質複合体として。^{[ 6 ]}

活性化されると、bAREは多数の真核生物タンパク質をADPリボシル化します。このようなメカニズムは、ADPリボシル化に関連する疾患状態の発症に不可欠です。 特にGTP結合タンパク質は、bAREの病態生理学においてよく知られています。例えば、コレラ毒素や熱不安定性腸毒素は、ヘテロ三量体GTP結合タンパク質のGsのαサブユニットを標的とします。αサブユニットはADPリボシル化されるため、常に「活性」なGTP結合状態になります。その後、細胞内cAMPが活性化されると、腸管上皮細胞から体液とイオンが放出されます。さらに、C.ボツリヌスC3はGTP結合タンパク質RhoとRasをADPリボシル化し、百日咳毒素はGi、Go、GtをADPリボシル化します。ジフテリア毒素はリボソーム伸長因子EF-2をADPリボシル化し、タンパク質合成を弱める。^{[ 6 ]}

感染にbAREを利用する細菌は多種多様である。マイコプラズマ肺炎のCARDS毒素、コレラ菌のコレラ毒素、大腸菌の易熱性エンテロトキシン、緑膿菌の外毒素A、百日咳菌の百日咳毒素、ボツリヌス菌のC3毒素、ジフテリア菌のジフテリア毒素などである。^{[ 33 ]}