БИОХИМИЯ, 2020, том 85, вып. 3, с. 335–347

УДК 577.29

Влияние окисления белка XRCC1 человека на функциональную активность его комплексов с ключевыми ферментами эксцизионной репарации оснований ДНК*,**

© 2020 И.А. Васильева 1#, Н.А. Моор 1#, О.И. Лаврик 1,2***

Институт химической биологии и фундаментальной медицины СО РАН, 630090 Новосибирск, Россия; электронная почта: lavrik@niboch.nsc.ru

Новосибирский государственный университет, 630090 Новосибирск, Россия

Поступила в редакцию 29.11.2019
После доработки 20.01.2020
Принята к публикации 27.01.2020

DOI: 10.31857/S0320972520030045

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: эксцизионная репарация оснований ДНК, белок-белковые взаимодействия, белок XRCC1 человека, ДНК-полимераза β, ДНК-лигаза IIIα.

Аннотация

Эксцизионная репарация оснований (Base Excision Repair, BER) обеспечивает исправление самых многочисленных повреждений ДНК у млекопитающих. Эффективность репарации с помощью этого многоступенчатого процесса, протекающего по разным маршрутам, зависит от координированного действия ферментов, катализирующих отдельные стадии. Важную роль в координации процессов репарации поврежденных оснований и апуриновых/апиримидиновых (АР) сайтов по «короткозаплаточному» маршруту и репарации одноцепочечных разрывов играет архитектурный белок XRCC1. В работе впервые с использованием метода флуоресцентного титрования показано образование in vitro тройного комплекса белка XRCC1 с ключевыми ферментами «короткозаплаточной» репарации – ДНК-полимеразой β (Polβ) и ДНК-лигазой IIIα (LigIIIα). Зарегистрировано прямое взаимодействие Polβ с LigIIIα, но их комплекс уступает по стабильности комплексам XRCC1–Polβ и XRCC1–LigIIIα. Исследовано влияние окисления белка XRCC1 и состава мультибелкового комплекса на эффективность репаративного синтеза и лигирования ДНК. Образование дисульфидной связи между остатками Cys12 и Cys20 в результате окисления XRCC1, модулирующее сродство белка к Polβ (как показано ранее), оказывает влияние на выход как конечного продукта «короткозаплаточной» репарации, так и нелигируемых ДНК-интермедиатов (субстратов «длиннозаплаточной» репарации). Эффект окисления XRCC1 на выход конечного продукта зависит от присутствия АР-эндонуклеазы 1. Результаты работы и ранее проведенного нами исследования указывают на важную роль окисления XRCC1 в тонкой регуляции процессов формирования и функциональной активности репаративных комплексов.

Сноски

* Первоначально английский вариант рукописи опубликован на сайте «Biochemistry» (Moscow) http://protein.bio.msu.ru/biokhimiya, в рубрике «Papers in Press», BM19-338, 02.03.2020.

** Приложение к статье на английском языке опубликовано на сайте журнала «Biochemistry» (Moscow) и на сайте издательства Springer (https://link.springer.com/journal/10541), том 85, вып. 3, 2020.

*** Адресат для корреспонденции.

# Авторы внесли равный вклад в работу.

Финансирование

Наработка рекомбинантных белков для исследования выполнена при поддержке Программы фундаментальных научных исследований государственных академий наук на 2013–2020 гг. (№ АААА-А17-117020210022-4); исследование белок-белковых взаимодействий поддержано грантом Российского Научного Фонда (проект № 19-14-00107).

Благодарности

Авторы благодарны доктору С. Вильсону (Dr. S.H. Wilson, National Institute of Health, North Carolina, США), доктору Х.П. Радицелле (Dr. J.P. Radicella, UMR217 CNRS/CEA, Франция) и доктору Г. Дианову (Dr. G. Dianov, Oxford University, UK) за предоставленные плазмидные векторы для экспрессии белков. Авторы выражают глубокую благодарность студенту Новосибирского государственного университета Чжао Минсин за участие в экспериментах по флуоресцентному титрованию.

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Соблюдение этических норм

Данная статья не содержит исследований с участием людей или использованием животных в качестве объектов.

Дополнительная информация

Дополнительные материалы размещены в электронной версии журнала на сайтах: http://protein.bio.msu.ru/biokhimiya/; https://link.springer.com/journal/10541.

Список литературы

1. Abbotts, R., and Wilson, D.M. 3rd (2017) Coordination of DNA single strand break repair, Free Radic. Biol. Med., 107, 228–244, doi: 10.1016/j.freeradbiomed.2016.11.039.

2. Whitaker, A.M., Schaich, M.A., Smith, M.R., Flynn, T.S., and Freudenthal, B.D. (2017) Base excision repair of oxidative DNA damage: from mechanism to disease, Front. Biosci. (Landmark Ed.), 22, 1493–1522, doi: 10.2741/4555.

3. Caldecott, K.W. (2014) DNA single-strand break repair, Exp. Cell. Res., 329, 2–8, doi: 10.1016/j.yexcr.2014.08.027.

4. London, R.E. (2015) The structural basis of XRCC1-mediated DNA repair, DNA Repair (Amst.), 30, 90–103, doi: 10.1016/j.dnarep.2015.02.005.

5. Moor, N.A., and Lavrik, O.I. (2018) Protein–protein interactions in DNA base excision repair, Biochemistry (Moscow), 83, 411–422, doi: 10.1134/S0006297918040120.

6. Dutta, A., Yang, C., Sengupta, S., Mitra, S., and Hegde, M.L. (2015) New paradigms in the repair of oxidative damage in human genome: mechanisms ensuring repair of mutagenic base lesions during replication and involvement of accessory proteins, Cell. Mol. Life Sci., 72, 1679–1698, doi: 10.1007/s00018-014-1820-z.

7. Caldecott, K.W., McKeown, C.K., Tucker, J.D., Ljungquist, S., and Thompson, L.H. (1994) An interaction between the mammalian DNA repair protein XRCC1 and DNA ligase III, Mol. Cell. Biol., 14, 68–76, doi: 10.1128/mcb.14.1.68.

8. Kubota, Y., and Horiuchi, S. (2003) Independent roles of XRCC1’s two BRCT motifs in recovery from methylation damage, DNA Repair (Amst.), 2, 407–415, doi: 10.1016/s1568-7864(02)00242-2.

9. Parsons, J.L., Dianova, I.I., Allinson, S.L., and Dianov, G.L. (2005) DNA polymerase beta promotes recruitment of DNA ligase III alpha-XRCC1 to sites of base excision repair, Biochemistry, 44, 10613–10619, doi: 10.1021/bi050085m.

10. Moor, N.A., Vasil’eva, I.A., Anarbaev, R.O., Antson, A.A., and Lavrik, O.I. (2015) Quantitative characterization of protein-protein complexes involved in base excision DNA repair, Nucleic Acids Res., 43, 6009–6022, doi: 10.1093/nar/gkv569.

11. Kubota, Y., Nash, R.A., Klungland, A., Schär, P., Barnes, D.E., and Lindahl, T. (1996) Reconstitution of DNA base excision-repair with purified human proteins: interaction between DNA polymerase β and the XRCC1 protein, EMBO J., 15, 6662–6670, doi: 10.1002/j.1460-2075.1996.tb01056.x.

12. Wong, H.K., and Wilson, D.M. 3rd (2005) XRCC1 and DNA polymerase beta interaction contributes to cellular alkylating-agent resistance and single-strand break repair, J. Cell. Biochem., 95, 794–804, doi: 10.1002/jcb.20448.

13. Fang, Q., Inanc, B., Schamus, S., Wang, X.H., Wei, L., Brown, A.R., Svilar, D., Sugrue, K.F., Goellner, E.M., Zeng, X., Yates, N.A., Lan, L., Vens, C., and Sobol, R.W. (2014) HSP90 regulates DNA repair via the interaction between XRCC1 and DNA polymerase β, Nat. Commun., 5, 5513, doi: 10.1038/ncomms6513.

14. Horton, J.K., Stefanick, D.F., Gassman, N.R., Williams, J.G., Gabel, S.A., Cuneo, M.J., Prasad, R., Kedar, P.S., Derose, E.F., Hou, E.W., London, R.E., and Wilson, S.H. (2013) Preventing oxidation of cellular XRCC1 affects PARP-mediated DNA damage responses, DNA Repair (Amst.), 12, 774–785, doi: 10.1016/j.dnarep.2013.06.004.

15. Horton, J.K., Seddon, H.J., Zhao, M.L., Gassman, N.R., Janoshazi, A.K., Stefanick, D.F., and Wilson, S.H. (2017) Role of the oxidized form of XRCC1 in protection against extreme oxidative stress, Free Radic. Biol. Med., 107, 292–300, doi: 10.1016/j.freeradbiomed.2017.02.005.

16. Kumar, A., Widen, S.G., Williams, K.R., Kedar, P., Karpel, R.L., and Wilson, S.H. (1990) Studies of the domain structure of mammalian DNA polymerase beta. Identification of a discrete template binding domain, J. Biol. Chem., 265, 2124–2131.

17. Belousova, E.A., Vasil’eva, I.A., Moor, N.A., Zatsepin, T.S., Oretskaya, T.S., and Lavrik, O.I. (2013) Clustered DNA lesions containing 5-formyluracil and AP site: repair via the BER system, PLoS One, 8, e68576, doi: 10.1371/journal.pone.0068576.

18. Strauss, P.R., Beard, W.A., Patterson, T.A., and Wilson, S.H. (1997) Substrate binding by human apurinic/apyrimidinic endonuclease indicates a Briggs-Haldane mechanism, J.Biol. Chem., 272, 1302–1307, doi: 10.1074/jbc.272.2.1302.

19. Chim, N., Harmston, C.A., Guzman, D.J., and Goulding, C.W. (2013) Structural and biochemical characterization of the essential DsbA-like disulfide bond forming protein from Mycobacterium tuberculosis, BMC Struct. Biol., 13, 23, doi: 10.1186/1472-6807-13-23.

20. Wunderlich, M., and Glockshuber, R. (1993) Redox properties of protein disulfide isomerase (DsbA) from Escherichia coli, Protein Sci., 2, 717–726, doi: 10.1002/pro.5560020503.

21. Haugland, R.P. (2005) The Handbook – a Guide to Fluorescent Probes and Labeling Technologies, 10th edn., Invitrogen Corp., USA.

22. Dimitriadis, E.K., Prasad, R., Vaske, M.K., Chen, L., Tomkinson, A.E., Lewis, M.S., and Wilson, S.H. (1998) Thermodynamics of human DNA ligase I trimerization and association with DNA polymerase beta, J. Biol. Chem., 273, 20540–20550, doi: 10.1074/jbc.273.32.20540.

23. Ranalli, T.A., Tom, S., and Bambara, R.A. (2002) AP endonuclease 1 coordinates flap endonuclease 1 and DNA ligase I activity in long patch base excision repair, J. Biol. Chem., 277, 41715–41724, doi: 10.1074/jbc.M207207200.

24. Hanssen-Bauer, A., Solvang-Garten, K., Sundheim, O., Peña-Diaz, J., Andersen, S., Slupphaug, G., Krokan, H.E., Wilson, D.M. 3rd, Akbari, M., and Otterlei, M. (2011) XRCC1 coordinates disparate responses and multiprotein repair complexes depending on the nature and context of the DNA damage, Environ. Mol. Mutagen., 52, 623–635, doi: 10.1002/em.20663.

25. Lan, L., Nakajima, S., Oohata, Y., Takao, M., Okano, S., Masutani, M., Wilson, S.H., and Yasui, A. (2004) In situ analysis of repair processes for oxidative DNA damage in mammalian cells, Proc. Natl Acad. Sci. USA, 101, 13738–13743, doi: 10.1073/pnas.0406048101.

26. Polo, L.M., Xu, Y., Hornyak, P., Garces, F., Zeng, Z., Hailstone, R., Matthews, S.J., Caldecott, K.W., Oliver, A.W., and Pearl, L.H. (2019) Efficient single-strand break repair requires binding to both poly(ADP-ribose) and DNA by the central BRCT domain of XRCC1, Cell Rep., 26, 573–581, doi: 10.1016/j.celrep.2018.12.082.

27. Masson, M., Niedergang, C., Schreiber, V., Muller S., Menissier-de Murcia, J. and de Murcia, G. (1998) XRCC1 is specifically associated with poly(ADP-ribose) polymerase and negatively regulates its activity following DNA damage, Mol. Cell. Biol., 18, 3563–3571, doi: 10.1128/mcb.18.6.3563.

28. Vasil’eva, I.A., Moor, N.A., and Lavrik, O.I. (2019) Role of oxidation of XRCC1 protein in regulation of mammalian DNA repair process, Doklady Biochem. Biophys., 489, doi: 10.1134/S1607672919060012.

29. Sukhanova, M., Khodyreva, S., and Lavrik, O. (2010) Poly(ADP-ribose) polymerase 1 regulates activity of DNA polymerase beta in long patch base excision repair, Mutat. Res., 685, 80–89, doi: 10.1016/j.mrfmmm.2009.08.009.

30. Prasad, R., Lavrik, O.I., Kim, S.J., Kedar, P., Yang, X.P., Vande Berg, B.J., and Wilson, S.H. (2001) DNA polymerase beta-mediated long patch base excision repair. Poly(ADP-ribose)polymerase-1 stimulates strand displacement DNA synthesis, J. Biol. Chem., 276, 32411–32414, doi: 10.1074/jbc.C100292200.

31. Leppard, J.B., Dong, Z., Mackey, Z.B., and Tomkinson, A.E. (2003) Physical and functional interaction betweenDNA ligase IIIalpha and poly(ADP-ribose) polymer-ase 1 in DNA single-strand break repair, Mol. Cell. Biol., 23, 5919–5927, doi: 10.1128/mcb.23.16.5919-5927.2003.