DNA修复酶PARPs：从分子机制到临床应用的全景解析

 

引言

在细胞的复杂世界中，DNA修复酶PARP（PolyADP-RibosePolymerase）扮演着至关重要的角色。这些酶不仅是DNA损伤修复的关键参与者，还在细胞凋亡、基因转录和DNA合成等过程中发挥着重要作用。本文将深入探讨DNA修复酶PARP的功能、作用机制以及其在生物医学领域的应用。

 

PARP家族简介

PARP家族由17个成员组成，根据结构域结构和功能分为5个亚组:DNA损伤依赖性PARP(PARP1,PARP2和PARP3)，tankyrase1/PARP5和tankyrase2/PARP5b，CCCH型PARP(PARP7,PARP12和PARP13)，宏观PARP[BAL1/PARP9,BAL2/PARP14和BAL3/PARP15]，以及其他PARP (PARP4,PARP6,PARP8,PARP10,PARP11和PARP16)。C末端的催化结构域在所有成员中都是保守的，并且包含额外的锌指、BRCAC末端样(BRCT)基元、锚蛋白重复序列、宏结构域和WWE结构域。

 

 

图1：PARPFamily，来源：cancers

 

PARP1的作用机制

PARylation是ADP-核糖基转移酶利用NAD+将ADP-核糖残基转移到目标底物上的反应。它能快速识别多种类型的DNA损伤，包括SSBs，并被招募到受损部位诱DDR分子的招募，从而使聚(ADP-Ribose)聚合酶(PARP)，特别是被称为DDR主要分子的PARP1、PARP2、PARP3、PARP5a和PARP5b在人体中进行聚(ADP-Ribose)(PAR)合成。PARP1是PARP家族中最主要的成员，其在细胞中承担着PARP家族90%以上的功能，是DNA损伤修复中的关键作用因子。

 

 

图2：PARylation和PARP抑制在DNA损伤反应中的机制。来源：cancers

 

当发生DNA单链断裂时，PARP会利用锌指结构域快速结合到损伤位点。通过ART催化结构域以NAD+为底物，催化PARP与其靶蛋白XRCC1、DNA连接酶III等之间的PARylation，从而导致DNA修复蛋白募集到DNA损伤位点。PARP自发PARylation随后会降低对DNA的亲和力，导致其与DNA分离，从而使修复蛋白能够结合。此时，PARP抑制剂会结合口袋而不是NAD+，导致PARP被困在DNA中。它会遇到复制叉，导致其停滞，并转化为双链断裂(DSB)，从而导致细胞死亡；或者通过阻断PARP PARylation发生处的酶活性来阻止修复蛋白的募集。

 

PARPs在生物医学领域的应用

由于PARPs在DNA修复和细胞凋亡中的重要作用，它们已成为生物医学领域的重要研究对象。目前，已有多种针对PARPs的抑制剂被开发出来，用于治疗癌症等疾病。这些抑制剂能够阻止PARPs的活性，从而抑制癌细胞的生长和扩散。同时，这些抑制剂还能够促进癌细胞的凋亡，提高癌症的治疗效果。

 

表1.临床上可用的PARP抑制剂的比较。

 

临床应用PARP抑制剂不仅对BRCA突变的肿瘤，而且对HRD引起的铂敏感肿瘤也有较好的疗效，加速了PARP抑制剂的临床应用。然而，这些PARP抑制剂的作用很难理解为仅仅抑制PARP化的催化活性。虽然四种PARP抑制剂都能抑制PARP1和PARP2的催化作用，但如表1所示，每种PARP抑制剂的细胞毒性不同。PARP抑制剂抑制PARP诱导的细胞毒性远远优于敲除PARP基因诱导的细胞毒性，这表明它们的抗肿瘤作用是由于PARP的催化抑制以外的机制。这种差异可以被概念化为PARP捕获:PARP抑制剂捕获PARP-DNA复合物的能力，同时增加PARP与DNA结合的稳定性。如表1所示，每种PARP抑制剂具有不同的细胞毒性，这与其PARP捕获活性相关。也就是说，talazoparib具有最强的PARP诱捕作用，同时也具有最大的细胞毒性。因此，PARP捕获应被视为PARP抑制剂在临床试验中应用的一种机制。这些PARP捕获能力的差异可能对联合治疗和单一治疗产生不同的影响。

PARP具有多种功能，从转录水平到通过翻译后修饰激活和定位。在DNA损伤应答中，PARP通过PARylation调控自身或其靶蛋白的活化。PARP抑制剂阻断PARP的这种催化活性，阻止正常修复途径的激活。这些PARP抑制剂对BRCA突变等HRD肿瘤具有显著的抗肿瘤作用。迄今为止，已有四种PARP抑制剂获得FDA批准并应用于临床实践。然而，这四种化合物对PARP- DNA复合物的捕获有不同的影响，尽管它们抑制了PARP的共同催化活性。这种PARP捕获通过复制叉崩溃导致细胞毒性改善，导致转化为DSB。当PARP抑制剂与烷基化剂联合使用时，可达到协同作用。相反，抑制PARP的催化活性与拓扑异构酶I抑制剂联合使用时具有协同效应。换句话说，联合治疗与PARP抑制剂的协同作用可以根据个体PARP抑制剂的作用机制而不同地诱导。了解每一种PARP抑制剂的特性，策略性地选择协同伙伴，是产生最大抗肿瘤作用必须考虑的重要问题。

 

 

图3.  PARP  在人体器官中的作用。来源：CellPress

ARDS，急性呼吸窘迫综合征；COPD，慢性阻塞性肺病；I/R，缺血再灌注；PCOS，多囊卵巢综合征

 

这些疾病影响所有主要器官系统，包括缺血-再灌注损伤、炎症疾病、烧伤、帕金森病、亨廷顿氏病、阿尔茨海默病和毒性损伤(细胞抑制剂的毒性、香烟烟雾、紫外线和伽马辐射)等。

 

总结

PARPs在癌症治疗、抗病毒天然免疫、基因编辑、遗传疾病治疗以及其他生物医学领域都具有广泛的应用前景。随着对PARPs功能和作用机制的深入研究，我们有望开发出更多针对PARPs的药物和治疗方法，为人类的健康事业做出更大的贡献。