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Serina ADP

May 12, 2023

Nature Communications volume 14, numero articolo: 3200 (2023) Citare questo articolo

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Nella risposta al danno al DNA dei mammiferi, la segnalazione della ribosilazione dell'ADP è di cruciale importanza per marcare i siti di danno al DNA e reclutare e regolare i fattori di riparazione. Nello specifico, il complesso PARP1:HPF1 riconosce il DNA danneggiato e catalizza la formazione di segni di ribosilazione dell'ADP legati alla serina (mono-Ser-ADPr), che vengono estesi nei polimeri dell'ADP-ribosio (poli-Ser-ADPr) dal solo PARP1. Poly-Ser-ADPr viene invertito da PARG, mentre il terminale mono-Ser-ADPr viene rimosso da ARH3. Nonostante il suo significato e l'apparente conservazione evolutiva, si sa poco sulla segnalazione della ribosilazione dell'ADP negli animali non mammiferi. La presenza di HPF1, ma l'assenza di ARH3, in alcuni genomi di insetti, comprese le specie di Drosophila, solleva interrogativi riguardanti l'esistenza e l'inversione della ribosilazione della serina-ADP in queste specie. Qui mostriamo mediante proteomica quantitativa che Ser-ADPr è la principale forma di ribosilazione dell'ADP nella risposta al danno al DNA di Drosophila melanogaster e dipende dal complesso dParp1:dHpf1. Inoltre, le nostre indagini strutturali e biochimiche svelano il meccanismo di rimozione del mono-Ser-ADPr da parte della Drosophila Parg. Collettivamente, i nostri dati rivelano PARP: Ser-ADPr mediato da HPF1 come una caratteristica distintiva della DDR in Animalia. La sorprendente conservazione all'interno di questo regno suggerisce che gli organismi che trasportano solo un insieme centrale di enzimi che metabolizzano l'ADP-ribosile, come la Drosophila, sono preziosi organismi modello per studiare il ruolo fisiologico della segnalazione Ser-ADPr.

L'ADP-ribosilazione (ADPr) è una modificazione post-traduzionale delle proteine ​​che comporta il trasferimento delle porzioni di ADP-ribosio dal NAD+ su una proteina bersaglio. È coinvolto nella regolazione di una vasta gamma di processi cellulari, come la riparazione del DNA, la regolazione trascrizionale, l'immunità e il metabolismo microbico, tra gli altri1,2,3,4. Le unità ADP-ribosio possono essere attaccate a una varietà di catene laterali di amminoacidi, tra cui altre con funzionalità acida (Glu/Asp), basica (Arg/Lys), ossidrile (Ser/Tyr) e tiolo (Cys)2,5. Alcuni autori, come PARP1, PARP2 e tankyrase1/2 (chiamato anche PARP5a/b) possono estendere la modifica iniziale nota come mono(ADP-ribosilazione) (MARilazione) e creare polimeri ADP-ribosio lineari o ramificati noti come poli(ADP -ribosilazione) (PARilazione)6,7,8.

Il legame di PARP1/2 induce la proteina PARP1/2-dipendente ADPr alle rotture del DNA, che dà origine a segnali ADPr che attivano e controllano una varietà di meccanismi di risposta al danno del DNA (DDR) necessari per la decompattazione della cromatina e il reclutamento di fattori di riparazione4 ,9. Studi precedenti hanno dimostrato che PARP1 e PARP2 catalizzano la modificazione del glutammato/aspartato in vitro10, mentre l'analisi spettrometrica di massa ha rivelato che la serina-ADPr è il principale residuo modificato dall'ADPr durante il danno al DNA nelle cellule umane11,12,13,14. Questa discrepanza è stata risolta con la scoperta della proteina ausiliaria, il fattore di PARilazione dell'istone 1 (HPF1)11,15, che completa il sito attivo di PARP1/2 contribuendo al legame del substrato e ai residui catalitici16,17,18. Inoltre, il complesso PARP1/2:HPF1 è anche responsabile della modifica meno compresa dei residui di tirosina19,20.

L'ADPr è altamente dinamico e deve essere mantenuto strettamente regolato a causa dell'elevato dispendio energetico associato. Pertanto, una volta ottenuta un'adeguata risposta cellulare, la segnalazione dell'ADPr cessa e le unità di ADP-ribosio utilizzate vengono riciclate da cancellatori specializzati che convertono l'ADP-ribosio in altri nucleotidi tra cui ATP e NAD+21. Il principale enzima responsabile della degradazione della maggior parte delle catene PAR è la poli(ADP-ribosio)glicoidrolasi (PARG), che idrolizza il legame acetale all'interno del polimero ADP-ribosio, ma non può invertire il collegamento proteina-ribosio22,23,24. Nelle cellule umane, questa reazione specifica, la rimozione di Ser-ADPr, viene effettuata dalla (ADP-ribosil)idrolasi 3 (ARH3)23,25.

0.9), corresponding to 296 ADPr target proteins in Drosophila S2R+ cells (Fig. 3B, C and Supplementary Data 2). Reassuringly, the data demonstrated good localisation probability with >75% of the ADPr peptide spectrum matches (PSMs) possessing a localisation probability > 90% (Supplementary Fig. 2A). Overall, we observed a high degree of reproducibility between our experimental replicates, with the most variation present in the H2O2-treated samples (Fig. 3C, D and Supplementary Fig. 2B)./p> 500 high confident ADPr sites. Previously, ADPr has been reported to modify aspartic acid, glutamic acid, lysine, and arginine residues52,65,66. The relatively recent discovery of serine residues as acceptor sites13, has led to the identification of serine as the most abundantly modified amino acid residue under DNA damage in cell culture12,14. By combining the Af1521 enrichment strategy, which is able to identify ADPr on all possible amino acid residues50,67,68, with ETD fragmentation for proper localisation of the modification site12, we identified serine as the most abundantly modified residue in Drosophila under these experimental conditions. Still, experimental conditions as well as the depth of sequencing could cause the absence of other known amino acid acceptor residues. Our analysis of the Ser-ADPr cycle in D. melanogaster further revealed a striking conservation with the human signalling pathway. On the molecular level not only the mammalian ADPr consensus motif ‘KS’ is conserved, but we observe a broad overlap with previously identified ADPr targets in humans. This is particularly true for the main ADP-ribose acceptors such as PARP1 and histones. In both species, pathways relevant for genome stability, chromatin structure regulation, and transcription are major targets for this modification. Thus, our data suggests that Drosophila can serve as a model organism to provide insights into the physiological function of Ser-ADPr signalling. This includes the possibility of understanding the links between this modification and associated diseases including neurodegeneration and cancer30,41,69,70,71. In this respect, it was previously shown that dParg deficiency could be complemented using human ARH3 gene71. Also, as the hPARP1 automodification region that has been shown to be important for hPARP1 trapping at DNA breaks and the PARP inhibitor response in humans is functionally conserved in Drosophila species (Fig. 4G and Supplementary Fig. 4), this model could be useful for understanding the physiological effects of clinically relevant PARP inhibitors30./p>