Поли(АДФ-рибоза)-полимераза

Поли(АДФ-рибоза)-полимераза (ПАРП, англ. Poly(ADP-ribose) polymerase, PARP) — это семейство ферментов (класс трансфераз), которые катализируют перенос остатков АДФ-рибозы с никотинамидадениндинуклеотида (NAD⁺) на целевые белки, а также на уже присоединённые остатки, образуя длинные разветвлённые полимеры поли(АДФ-рибозы) (ПАР). ПАРП участвуют в регуляции множества клеточных процессов, наиболее изученным из которых является репарация одноцепочечных разрывов ДНК. Ингибиторы ПАРП применяются в онкологии для лечения опухолей с дефектами гомологичной рекомбинации, в частности, при раке яичников, молочной железы, поджелудочной железы и предстательной железы.

История открытия

Первые наблюдения ферментативной активности, приводящей к синтезу поли(АДФ-рибозы), были сделаны в 1963 году французским биохимиком Полем Манделем и его коллегами. Они обнаружили, что добавление NAD⁺ к экстрактам клеток печени крыс приводит к включению радиоактивно меченого аденина в нерастворимую в кислоте фракцию. В 1966 году Т. Сугимура и С. Миура независимо идентифицировали продукт реакции как полимер АДФ-рибозы. Первый фермент, катализирующий этот процесс, был очищен и охарактеризован в 1970-х годах; он получил название ПАРП-1 (PARP-1). В последующие десятилетия были открыты другие члены семейства, а также выяснена ключевая роль ПАРП-1 в репарации ДНК и механизм действия её ингибиторов.

Структура и механизм действия

Доменная организация

Большинство ПАРП имеют консервативную доменную структуру, включающую:

• N-концевой ДНК-связывающий домен (DBD), содержащий мотивы «цинковые пальцы», которые распознают и связываются с разрывами ДНК.
• Центральный домен ауто-модификации, который содержит сайты для присоединения поли(АДФ-рибозы) к самому ферменту.
• C-концевой каталитический домен, который связывает NAD⁺ и осуществляет реакцию полимеризации.

Каталитический цикл

Фермент использует NAD⁺ как субстрат. Реакция включает три этапа:

1. Инициация: перенос первого остатка АДФ-рибозы на акцепторный белок (обычно на остаток глутаминовой или аспарагиновой кислоты, реже — лизина или серина).
2. Элонгация: последовательное присоединение дополнительных остатков АДФ-рибозы к предыдущему, образуя линейную цепь.
3. Ветвление: образование (2'→1'')-рибозо-рибозидных связей, что приводит к разветвлению полимера.

В результате образуется полимер поли(АДФ-рибоза), который может содержать до 200 и более остатков. Этот полимер служит сигналом для рекрутирования белков репарации, а также может модифицировать активность самого ПАРП.

Семейство ферментов

У млекопитающих идентифицировано 17 членов семейства ПАРП, однако не все из них обладают доказанной поли(АДФ-рибозил)трансферазной активностью. Наиболее изученными являются:

• ПАРП-1 (PARP-1): основной и наиболее активный фермент, на долю которого приходится более 90% всей ПАР-синтезирующей активности в клетке. Участвует в репарации одноцепочечных разрывов ДНК, регуляции транскрипции, апоптоза и воспаления.
• ПАРП-2 (PARP-2): второй по значимости фермент, частично дублирующий функции ПАРП-1, особенно в репарации ДНК.
• ПАРП-3 (PARP-3): участвует в репарации двуцепочечных разрывов и регуляции клеточного цикла.
• ПАРП-4 (PARP-4): компонент теломеразного комплекса и в-тела Вальтера, участвует в регуляции длины теломер.
• TANK-связывающие ПАРП (TNKS, TNKS2): играют роль в регуляции сигнальных путей Wnt и метаболизма.

Биологические функции

Репарация ДНК

Основная функция ПАРП-1 и ПАРП-2 — репарация одноцепочечных разрывов ДНК (SSB, single-strand break). При повреждении ДНК ПАРП-1 быстро связывается с разрывом, активируется и синтезирует поли(АДФ-рибозу) на себе и других белках. Полимер служит платформой для рекрутирования факторов репарации, таких как XRCC1, лигаза III и полимераза β. После завершения репарации полимер деградируется ферментом ПАРГ (поли(АДФ-рибоза)-гликогидролаза), и ПАРП-1 возвращается в неактивное состояние.

Регуляция транскрипции

ПАРП-1 может модифицировать гистоны и другие хроматиновые белки, влияя на структуру хроматина и доступность генов для транскрипции. Кроме того, ПАРП-1 взаимодействует с транскрипционными факторами, такими как NF-κB, p53 и AP-1, модулируя их активность.

Апоптоз и некроз

При чрезмерном повреждении ДНК избыточная активация ПАРП-1 приводит к истощению запасов NAD⁺ и АТФ, что может вызвать некроз клеток. В то же время, при апоптозе ПАРП-1 расщепляется каспазами, что предотвращает некротическую гибель и способствует упорядоченному апоптозу.

Воспаление и иммунитет

ПАРП-1 участвует в регуляции воспалительных реакций, стимулируя продукцию провоспалительных цитокинов (например, TNF-α, IL-6) через активацию NF-κB. Ингибиторы ПАРП-1 изучаются как потенциальные противовоспалительные средства.

Ингибиторы ПАРП и их применение в медицине

Механизм действия

Ингибиторы ПАРП (PARP inhibitors, PARPi) — это низкомолекулярные соединения, которые конкурентно связываются с каталитическим доменом ПАРП-1 и ПАРП-2, блокируя их активность. В опухолевых клетках с дефектами гомологичной рекомбинации (например, с мутациями в генах BRCA1 или BRCA2) ингибирование ПАРП приводит к накоплению двуцепочечных разрывов ДНК, которые не могут быть эффективно репарированы, что вызывает гибель клеток. Этот принцип получил название «синтетическая летальность».

Одобренные препараты

На 2024 год в клинической практике применяются несколько ингибиторов ПАРП, одобренных регулирующими органами (FDA, EMA, Минздрав РФ):

• Олапариб (Lynparza) — первый одобренный ингибитор ПАРП (2014 г.). Применяется при раке яичников, молочной железы, поджелудочной железы и предстательной железы с мутациями BRCA.
• Нирапариб (Zejula) — одобрен для поддерживающей терапии рака яичников.
• Рукапариб (Rubraca) — применяется при раке яичников и предстательной железы.
• Талазопариб (Talzenna) — используется при раке молочной железы с мутациями BRCA.
• Велипариб (в комбинации с другими препаратами) — применяется при раке яичников.

Показания и эффективность

Ингибиторы ПАРП наиболее эффективны при опухолях с мутациями в генах системы гомологичной рекомбинации (BRCA1, BRCA2, PALB2, RAD51 и др.). Они используются как в качестве монотерапии, так и в комбинации с химиотерапией (например, с препаратами платины). В России ингибиторы ПАРП включены в клинические рекомендации по лечению рака яичников, молочной железы, поджелудочной железы и предстательной железы.

Побочные эффекты

Наиболее частыми побочными эффектами являются утомляемость, тошнота, анемия, тромбоцитопения и нейтропения. Редко, но возможно развитие миелодиспластического синдрома или острого лейкоза, особенно при длительном применении.

Исследования и перспективы

Помимо онкологии, ингибиторы ПАРП изучаются при лечении сердечно-сосудистых заболеваний, нейродегенеративных расстройств (болезнь Альцгеймера, болезнь Паркинсона) и воспалительных заболеваний. Ведутся исследования по преодолению резистентности к ингибиторам ПАРП, которая может развиваться за счёт вторичных мутаций в генах BRCA, активации альтернативных путей репарации или усиления экспорта препарата из клетки.

Интересные факты

• Поли(АДФ-рибоза) является одним из самых длинных известных полимеров, синтезируемых в клетках млекопитающих, уступая по длине только ДНК и РНК.
• ПАРП-1 является одним из наиболее обильных белков в ядре клетки (около 1 миллиона молекул на клетку).
• Исследования ПАРП-1 привели к созданию первого в истории препарата, основанного на принципе синтетической летальности (олапариб).

Источники

• Ame, J. C., Spenlehauer, C., & de Murcia, G. (2004). The PARP superfamily. BioEssays, 26(8), 882-893.
• Lord, C. J., & Ashworth, A. (2017). PARP inhibitors: Synthetic lethality in the clinic. Science, 355(6330), 1152-1158.
• Schreiber, V., Dantzer, F., Ame, J. C., & de Murcia, G. (2006). Poly(ADP-ribose): novel functions for an old molecule. Nature Reviews Molecular Cell Biology, 7(7), 517-528.
• Рекомендации по лечению рака яичников, рака молочной железы, рака поджелудочной железы и рака предстательной железы (Минздрав РФ, 2023-2024).
• Инструкции по медицинскому применению препаратов олапариб, нирапариб, рукапариб, талазопариб (Государственный реестр лекарственных средств РФ).