La poli (ADP-ribosa) polimerasa ( PARP ) es una familia de proteínas implicadas en diversos procesos celulares como la reparación del ADN , la estabilidad genómica y la muerte celular programada . [1]
La familia PARP está compuesta por 17 miembros (10 supuestos). [2] Varían enormemente en estructura y función dentro de la célula.
PARP se compone de cuatro dominios de interés: un dominio de unión al ADN , un dominio escindido por caspasa (ver a continuación), un dominio de automodificación y un dominio catalítico . El dominio de unión al ADN se compone de dos motivos de dedos de zinc . En presencia de ADN dañado (par de bases escindido), el dominio de unión al ADN se unirá al ADN e inducirá un cambio conformacional . Se ha demostrado que esta unión ocurre independientemente de los otros dominios. Esto es fundamental en un modelo de muerte celular programada basado en la inhibición de la escisión de PARP por caspasa. El dominio de automodificación es responsable de liberar la proteína del ADN después de la catálisis. Además, desempeña un papel fundamental en la inactivación inducida por escisión.
La función principal de PARP (que se encuentra en el núcleo celular ) es detectar e iniciar una respuesta celular inmediata a las roturas de ADN de cadena sencilla (SSB) inducidas metabólicamente, químicas o por radiación, mediante la señalización de la maquinaria enzimática involucrada en la reparación de SSB .
Una vez que PARP detecta un SSB, se une al ADN , sufre un cambio estructural y comienza la síntesis de una cadena polimérica de adenosina difosfato ribosa (poli(ADP-ribosa) o PAR), que actúa como señal para las otras enzimas reparadoras del ADN. Las enzimas diana incluyen la ADN ligasa III (LigIII), la ADN polimerasa beta (polβ) y proteínas de andamiaje como el gen 1 de complementación cruzada de rayos X (XRCC1). Después de la reparación, las cadenas PAR se degradan a través de la poli(ADP-ribosa) glicohidrolasa (PARG). [3]
El NAD+ es necesario como sustrato para generar monómeros de ADP-ribosa. Se ha pensado que la sobreactivación de PARP puede agotar las reservas de NAD+ celular e inducir una depleción progresiva de ATP y muerte celular necrótica, ya que se inhibe la oxidación de la glucosa . [4] Pero más recientemente se sugirió que la inhibición de la actividad de la hexoquinasa conduce a defectos en la glucólisis (Andrabi, PNAS 2014). La actividad basal de PARP también regula la bioenergética basal. [5] Nótese a continuación que PARP es inactivada por la escisión de la caspasa-3 durante la muerte celular programada .
Las enzimas PARP son esenciales en una serie de funciones celulares, [6] incluida la expresión de genes inflamatorios: [7] PARP1 es necesaria para la inducción de la expresión del gen ICAM-1 por los miocitos cardíacos [8] y las células del músculo liso, en respuesta al TNF. [9]
El dominio catalítico es responsable de la polimerización de poli (ADP-ribosa) . Este dominio tiene un motivo altamente conservado que es común a todos los miembros de la familia PARP. El polímero PAR puede alcanzar longitudes de hasta 200 nucleótidos antes de inducir procesos apoptóticos. La formación del polímero PAR es similar a la formación del polímero de ADN a partir de trifosfatos de nucleósidos. La síntesis normal de ADN requiere que un pirofosfato actúe como grupo saliente, dejando un solo grupo fosfato que une los azúcares desoxirribosa . PAR se sintetiza utilizando nicotinamida (NAM) como grupo saliente. Esto deja un pirofosfato como grupo de enlace entre los azúcares ribosa en lugar de grupos fosfato individuales. Esto crea un volumen especial para un puente PAR, que puede tener un papel adicional en la señalización celular.
Una función importante de PARP es ayudar en la reparación de mellas de ADN de cadena sencilla . Se une a los sitios con roturas de cadena sencilla a través de sus dedos de zinc N-terminales y reclutará XRCC1 , ADN ligasa III, ADN polimerasa beta y una quinasa a la mella. Esto se llama reparación por escisión de base (BER). Se ha demostrado que PARP-2 oligomeriza con PARP-1 y, por lo tanto, también está implicada en BER. También se ha demostrado que la oligomerización estimula la actividad catalítica de PARP. PARP-1 también es conocido por su papel en la transcripción a través de la remodelación de la cromatina mediante la PARilación de histonas y la relajación de la estructura de la cromatina, lo que permite que el complejo de transcripción acceda a los genes.
PARP-1 y PARP-2 se activan por roturas de una sola cadena de ADN, y tanto los ratones knock out para PARP-1 como para PARP-2 tienen deficiencias graves en la reparación del ADN y una mayor sensibilidad a los agentes alquilantes o a la radiación ionizante. [10]
La actividad de PARP (que se debe principalmente a PARP1) medida en las células sanguíneas leucocitarias mononucleares permeabilizadas de trece especies de mamíferos (rata, cobaya, conejo, tití, oveja, cerdo, ganado vacuno, chimpancé pigmeo, caballo, burro, gorila, elefante y hombre) se correlaciona con la esperanza de vida máxima de la especie. [11] La diferencia de actividad entre las especies de vida más larga (humanos) y las de vida más corta (rata) analizadas fue de cinco veces. Aunque la cinética enzimática (constante de velocidad unimolecular (kcat), Km y kcat/km) de las dos enzimas no fue significativamente diferente, se encontró que la PARP-1 humana tenía una capacidad de automodificación específica dos veces mayor que la enzima de rata, lo que los autores postularon que podría explicar, en parte, la mayor actividad de PARP en humanos que en ratas. [12] Las líneas de células linfoblastoides establecidas a partir de muestras de sangre de humanos centenarios (de 100 años o más) tienen una actividad PARP significativamente mayor que las líneas celulares de individuos más jóvenes (de 20 a 70 años), [13] lo que nuevamente indica un vínculo entre la longevidad y la capacidad de reparación.
Estos hallazgos sugieren que la capacidad de reparación del ADN mediada por PARP contribuye a la longevidad de los mamíferos. Por lo tanto, estos hallazgos respaldan la teoría del daño del ADN del envejecimiento , que supone que el daño del ADN no reparado es la causa subyacente del envejecimiento y que la capacidad de reparación del ADN contribuye a la longevidad. [14] [15]
Las tankirasas (TNK) son PARP que comprenden repeticiones de anquirina , un dominio de oligomerización (SAM) y un dominio catalítico de PARP (PCD). Las tankirasas también se conocen como PARP-5a y PARP-5b. Recibieron su nombre por su interacción con las proteínas TERF1 asociadas a los telómeros y las repeticiones de anquirina. Pueden permitir la eliminación de complejos inhibidores de la telomerasa de los extremos de los cromosomas para permitir el mantenimiento de los telómeros. A través de su dominio SAM y ANK, pueden oligomerizar e interactuar con muchas otras proteínas, como TRF1, TAB182 ( TNKS1BP1 ), GRB14 , IRAP, NuMa, EBNA-1 y Mcl-1 . Tienen múltiples funciones en la célula, como el tráfico vesicular a través de su interacción en vesículas GLUT4 con aminopeptidasa sensible a la insulina (IRAP). También desempeña un papel en el ensamblaje del huso mitótico a través de su interacción con la proteína 1 del aparato mitótico nuclear (NuMa), lo que permite la orientación bipolar necesaria . En ausencia de TNK, se observa un arresto de la mitosis en la preanafase a través del punto de control del huso Mad2 . Los TNK también pueden parasilar Mcl-1L y Mcl-1S e inhibir tanto su función proapoptótica como su función antiapoptótica; la relevancia de esto aún no se conoce.
La PARP puede activarse en células que experimentan estrés y/o daño del ADN. La PARP activada puede agotar el ATP de la célula en un intento de reparar el ADN dañado. El agotamiento de ATP en una célula conduce a la lisis y muerte celular (necrosis). [16] [17] La PARP también tiene la capacidad de inducir la muerte celular programada, a través de la producción de PAR, que estimula las mitocondrias para liberar AIF . [18] Este mecanismo parece ser independiente de la caspasa. La escisión de la PARP, por enzimas como las caspasas o las catepsinas, normalmente inactiva la PARP. El tamaño de los fragmentos de escisión puede dar una idea de qué enzima fue responsable de la escisión y puede ser útil para determinar qué vía de muerte celular se ha activado.
El factor de unión a CCCTC ( CTCF ) induce la acumulación de PAR. [19] Los polímeros de ADP-ribosa, ya sea libres o unidos a PARP1, pueden inhibir la actividad de la ADN metiltransferasa en los sitios CpG . [20] Por lo tanto, el CTCF está involucrado en la comunicación cruzada entre la poli(ADP-ribosilación) y la metilación del ADN, un importante factor regulador epigenético. [19]
Se ha acumulado una gran cantidad de datos preclínicos y clínicos sobre los inhibidores de PARP en diversas formas de cáncer. En este contexto, el papel de la PARP en la reparación de roturas de ADN monocatenario es relevante, lo que conduce a lesiones asociadas a la replicación que no se pueden reparar si la reparación por recombinación homóloga (HRR) es defectuosa, y conduce a la letalidad sintética de los inhibidores de PARP en el cáncer con HRR defectuosa. Los defectos de HRR se asocian clásicamente con mutaciones BRCA1 y 2 asociadas con cáncer de mama y ovario familiar, pero puede haber muchas otras causas de defectos de HRR. Por lo tanto, los inhibidores de PARP de varios tipos (por ejemplo, olaparib) para cánceres de mama y ovario con mutaciones BRCA pueden extenderse más allá de estos tumores si se pueden desarrollar biomarcadores apropiados para identificar defectos de HRR. Hay varias clases adicionales de inhibidores de PARP nuevos que se encuentran en varias etapas de desarrollo clínico. [21]
Otro conjunto sustancial de datos se relaciona con el papel de la PARP en determinadas indicaciones no oncológicas. En una serie de enfermedades agudas y graves (como el ictus, el neurotrauma, el shock circulatorio y el infarto agudo de miocardio), los inhibidores de la PARP ejercen un beneficio terapéutico (por ejemplo, reducción del tamaño del infarto o mejora de la función orgánica). También hay datos observacionales que demuestran la activación de la PARP en muestras de tejido humano. En estas indicaciones patológicas, la sobreactivación de la PARP debido al estrés oxidativo y nitrativo impulsa la necrosis celular y la expresión de genes proinflamatorios, lo que contribuye a la patología de la enfermedad. A medida que avancen los ensayos clínicos con inhibidores de la PARP en diversas formas de cáncer, se espera que se inicie una segunda línea de investigaciones clínicas, destinada a probar los inhibidores de la PARP para diversas indicaciones no oncológicas, en un proceso denominado "reutilización terapéutica". [22]
La PARP se inactiva mediante la escisión de la caspasa . Se cree que la inactivación normal ocurre en sistemas donde el daño del ADN es extenso. En estos casos, se invertiría más energía en reparar el daño de lo que es factible, por lo que la energía se recupera para otras células en el tejido a través de la muerte celular programada. Además de la degradación, hay evidencia reciente sobre mecanismos reversibles de regulación negativa de PARP, entre ellos un "bucle autorregulador", que es impulsado por la propia PARP1 y modulado por el factor de transcripción YY1 . [23]
Aunque la escisión in vitro por parte de las caspasas se produce en toda la familia de las caspasas, los datos preliminares sugieren que la caspasa-3 y la caspasa-7 son responsables de la escisión in vivo . La escisión se produce en el ácido aspártico 214 y la glicina 215, separando la PARP en un segmento de 24 kDa y otro de 89 kDa. La fracción más pequeña incluye el motivo de dedo de zinc necesario para la unión al ADN. El fragmento de 89 kDa incluye el dominio de automodificación y el dominio catalítico. El supuesto mecanismo de activación de la PCD a través de la inactivación de la PARP se basa en la separación de la región de unión al ADN y el dominio de automodificación. La región de unión al ADN es capaz de hacerlo independientemente del resto de la proteína, escindida o no. Sin embargo, no puede disociarse sin el dominio de automodificación. De esta manera, el dominio de unión al ADN se unirá a un sitio dañado y no podrá efectuar la reparación, ya que ya no tiene el dominio catalítico. El dominio de unión al ADN impide que otras PARP no escindidas accedan al sitio dañado e inicien las reparaciones. Este modelo sugiere que este "tapón de azúcar" también puede iniciar la señal para la apoptosis.
Se han estudiado los roles de la poli(ADP-ribosilación) en las respuestas de las plantas al daño del ADN, infecciones y otros tipos de estrés. [24] [25] La PARP1 vegetal es muy similar a la PARP1 animal, pero curiosamente, en Arabidopsis thaliana y presumiblemente en otras plantas, la PARP2 desempeña roles más significativos que la PARP1 en las respuestas protectoras al daño del ADN y la patogénesis bacteriana. [26] La PARP2 vegetal lleva dominios reguladores y catalíticos de PARP con solo una similitud intermedia con la PARP1, y lleva motivos de unión al ADN SAP N-terminal en lugar de los motivos de unión al ADN de dedos de zinc de las proteínas PARP1 vegetales y animales. [26]
