БИОХИМИЯ, 2022, том 87, вып. 3, с. 321–336

УДК 577.29

Изучение взаимодействия ДНК-зависимых белков семейства PARP с нуклеосомными частицами, содержащими интермедиаты начальных стадий процесса BER

© 2022 А.А. Украинцев 1#, Е.А. Белоусова 1#, М.М. Кутузов 1, О.И. Лаврик 1,2*lavrik@niboch.nsc.ru

1 Институт химической биологии и фундаментальной медицины СО РАН, 630090 Новосибирск, Россия

2 Новосибирский государственный университет, 630090 Новосибирск, Россия

Поступила в редакцию 05.10.2021
После доработки 20.01.2022
Принята к публикации 22.02.2022

DOI: 10.31857/S0320972522030022

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: нуклеосома, PARP1, PARP2, PARP3, BER.

Аннотация

Клеточным сигналом в ответ на повреждение ДНК является реакция (ADP-рибозил)ирования, катализируемая ДНК-зависимыми белками семейства поли(ADP-рибозо)полимераз (PARP) – PARP1, PARP2 и PARP3. Эти белки являются участниками процесса эксцизионной репарации оснований (BER). Несмотря на обширные исследования, остаётся неизвестным, каким образом PARP участвуют в регуляции процесса BER и как распределяются роли между ДНК-зависимыми членами семейства. В настоящей работе мы исследовали взаимодействие ДНК-зависимых белков семейства PARP с нуклеосомными частицами, содержащими в своем составе ДНК-интермедиаты начальных стадий процесса BER. Для этого были реконструированы нуклеосомы на основе последовательности ДНК Widom «Clone 603», содержащие повреждение вблизи одного из тупых концов ДНК-дуплекса. Были определены константы диссоциации комплексов PARP с нуклеосомами, ДНК которых содержали урацил (Native), апуриновый/апиримидиновый сайт (AP‑сайт) или однонуклеотидную брешь с 5′‑dRp-фрагментом (Gap). Показано, что сродство белков к нуклеосоме увеличивается в ряду PARP3 << PARP2 < PARP1, а сродство каждого белка к определённому типу повреждений увеличивается в ряду Native = AP‑сайт < Gap для PARP1 и PARP2 и Gap <<< Native = AP‑сайт – для PARP3. Также были определены области взаимодействия белков PARP с нуклеосомой методами боргидридной сшивки и футпринтинга. На основании полученных и литературных данных обсуждены закономерности вовлечения PARP1, PARP2 и PARP3 во взаимодействие с нуклеосомными частицами, содержащими ДНК-интермедиаты процесса BER.

Текст статьи

Пожалуйста, введите код, чтобы получить PDF файл с полным текстом статьи:

captcha

Сноски

* Адресат для корреспонденции.

# Авторы внесли равный вклад в работу.

Финансирование

Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (грант № 20‑04‑00674) и Проекта государственного задания ИХБФМ СО РАН № 121031300041‑4.

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Соблюдение этических норм

Настоящая статья не содержит описания каких-либо исследований с участием людей или животных в качестве объектов.

Список литературы

1. Lindahl, T. (1993) Instability and decay of the primary structure of DNA, Nature, 362, 709-715, doi: 10.1038/362709a0.

2. Wilson, D. M., and Barsky, D. (2001) The major human abasic endonuclease: formation, consequences and repair of abasic lesions in DNA, Mutat. Res., 485, 283-307, doi: 10.1016/s0921-8777(01)00063-5.

3. Schärer, O. D. (2003) Chemistry and biology of DNA repair, Angew. Chem. Int. Ed. Engl., 42, 2946-2974, doi: 10.1002/anie.200200523.

4. Kim, Y.-J., and Wilson, D. M. (2012) Overview of base excision repair biochemistry, Curr. Mol. Pharmacol., 5, 3-13, doi: 10.2174/1874467211205010003.

5. Shall, S. S., and de Murcia, G. (2000) Poly(ADP-ribose) polymerase-1: what have we learned from the deficient mouse model? Mutat. Res., 460, 1-15, doi: 10.1016/s0921-8777(00)00016-1.

6. Khodyreva, S. N., and Lavrik, O. I. (2016) Poly(ADP-Ribose) polymerase 1 as a key regulator of DNA repair, Mol. Biol. (Mosk), 50, 580-595, doi: 10.7868/S0026898416040030.

7. Amé, J. C., Rolli, V., Schreiber, V., Niedergang, C., Apiou, F., et al. (1999) PARP-2, a novel mammalian DNA damage-dependent poly(ADP-ribose) polymerase, J. Biol. Chem., 274, 17860-17868, doi: 10.1074/jbc.274.25.17860.

8. Rouleau, M., McDonald, D., Gagné, P., Ouellet, M. E., Droit, A., et al. (2007) PARP-3 associates with polycomb group bodies and with components of the DNA damage repair machinery, J. Cell. Biochem., 100, 385-401, doi: 10.1002/jcb.21051.

9. Beck, C., Robert, I., Reina-San-Martin, B., Schreiber, V., and Dantzer, F. (2014) Poly(ADP-ribose) polymerases in double-strand break repair: focus on PARP1, PARP2 and PARP3, Exp. Cell Res., 329, 18-25, doi: 10.1016/j.yexcr.2014.07.003.

10. Isabelle, M., Moreel, X., Gagné, J. P., Rouleau, M., Ethier, C., et al. (2010) Investigation of PARP-1, PARP-2, and PARG interactomes by affinity-purification mass spectrometry, Proteome Sci., 8, 22-32, doi: 10.1186/1477-5956-8-22.

11. Grundy, G. J., Polo, L. M., Zeng, Z., Rulten, S. L., Hoch, N. C., et al. (2016) PARP3 is a sensor of nicked nucleosomes and monoribosylates histone H2B(Glu2), Nat. Commun., 7, 12404-12415, doi: 10.1038/ncomms12404.

12. Van Beek, L., McClay, E., Patel, S., Schimpl, M., Spagnolo, L., et al. (2021) A PARP power: Structural perspective on PARP1, PARP2, and PARP3 in DNA damage repair and nucleosome remodelling, Int. J. Mol. Sci., 22, 5112, doi: 10.3390/ijms22105112.

13. Huang, X., LeDuc, R. D., Fornelli, L., Schunter, A. J., Bennett, R. L., et al. (2019) Defining the NSD2 interactome: PARP1 PARylation reduces NSD2 histone methyltransferase activity and impedes chromatin binding, J. Biol. Chem., 294, 12459-12471, doi: 10.1074/jbc.RA118.006159.

14. Boehler, C., Gauthier, L. R., Mortusewicz, O., Biard, D. S., Saliou, J.-M., et al. (2011) Poly(ADP-ribose) polymerase 3 (PARP3), a newcomer in cellular response to DNA damage and mitotic progression, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 108, 2783-2788, doi: 10.1073/pnas.1016574108.

15. Cistulli, C., Lavrik, O. I., Prasad, R., Hou, E., and Wilson, S. H. (2004) AP endonuclease and poly(ADP-ribose) polymerase-1 interact with the same base excision repair intermediate, DNA Repair (Amst), 3, 581-591, doi: 10.1016/j.dnarep.2003.09.012.

16. Khodyreva, S. N., Prasad, R., Ilina, E. S., Sukhanova, M. V., Kutuzov, M. M., et al. (2010) Apurinic/apyrimidinic (AP) site recognition by the 5′-dRP/AP lyase in poly(ADP-ribose) polymerase-1 (PARP-1), Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 107, 22090-22095, doi: 10.1073/pnas.1009182107.

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

18. Lavrik, O. I., Prasad, R., Sobol, R. W., Horton, J. K., Ackerman, E. J., et al. (2001) Photoaffinity labeling of mouse fibroblast enzymes by a base excision repair intermediate. Evidence for the role of poly(ADP-ribose) polymerase-1 in DNA repair, J. Biol. Chem., 276, 25541-25548, doi: 10.1074/jbc.M102125200.

19. Hanzlikova, H., Kalasova, I., Demin, A. A., Pennicott, L. E., Cihlarova, Z., et al. (2018) The importance of poly(ADP-ribose) polymerase as a sensor of unligated Okazaki fragments during DNA replication, Mol. Cell, 71, 319-331, doi: 10.1016/j.molcel.2018.06.004.

20. Hakmé, A., Wong, H. K., Dantzer, F., and Schreiber, V. (2008) The expanding field of poly(ADP-ribosyl)ation reactions. “Protein Modifications: Beyond the Usual Suspects” Review Series, EMBO Rep., 9, 1094-1100, doi: 10.1038/embor.2008.191.

21. Sukhanova, M. V., Abrakhi, S., Joshi, V., Pastre, D., Kutuzov, M. M., et al. (2016) Single molecule detection of PARP1 and PARP2 interaction with DNA strand breaks and their poly(ADP-ribosyl)ation using high-resolution AFM imaging, Nucleic Acids Res., 44, 1-12, doi: 10.1093/nar/gkv1476.

22. Sukhanova, M. V., Hamon, L., Kutuzov, M. M., Joshi, V., Dobra, I., et al. (2019) A single-molecule atomic force microscopy study of PARP1 and PARP2 recognition of base excision repair DNA intermediates, J. Mol. Biol., 431, 2655-2673, doi: 10.1016/j.jmb.2019.05.028.

23. Kutuzov, M. M., Khodyreva, S. N., Amé, J.-C., Ilina, E. S., Sukhanova, M. V., et al. (2013) Interaction of PARP-2 with DNA structures mimicking DNA repair intermediates and consequences on activity of base excision repair proteins, Biochimie, 95, 1208-1215, doi: 10.1016/j.biochi.2013.01.007.

24. Langelier, M. F., Riccio, A. A., and Pascal, J. M. (2014) PARP-2 and PARP-3 are selectively activated by 5′ phosphorylated DNA breaks through an allosteric regulatory mechanism shared with PARP-1, Nucleic Acids Res., 42, 7762-7775, doi: 10.1093/nar/gku474.

25. Yélamos, J., Schreiber, V., and Dantzer, F. (2008) Toward specific functions of poly(ADP-ribose)polymerase-2, Trends Mol. Med., 14, 169-178, doi: 10.1016/j.molmed.2008.02.003.

26. Kutuzov, M. M., Khodyreva, S. N., Schreiber, V., and Lavrik, O. I. (2014) The role of PARP2 in DNA repair, Mol. Biol. (Mosk), 48, 561-572, doi: 10.1134/S0026893314040062.

27. Talhaoui, I., Lebedeva, N. A., Zarkovic, G., Saint-Pierre, C., Kutuzov, M. M., et al. (2016) Poly(ADP-ribose) polymerases covalently modify strand break termini in DNA fragments in vitro, Nucleic Acids Res., 44, 9279-9295, doi: 10.1093/nar/gkw67523.

28. Belousova, E. A., Ishchenko, A. A., and Lavrik, O. I. (2018) DNA is a new target of Parp3, Sci. Rep., 8, 4176-4187, doi: 10.1038/s41598-018-22673-3.

29. Zarkovic, G., Belousova, E. A., Talhaoui, I., Saint-Pierre, C., Kutuzov, M. M., et al. (2018) Characterization of DNA ADP-ribosyltransferase activities of PARP2 and PARP3: new insights into DNA ADP-ribosylation, Nucleic Acids Res., 46, 2417-2431, doi: 10.1093/nar/gkx1318.

30. McGinty, R. K., and Tan, S. (2015) Nucleosome structure and function, Chem. Rev., 115, 2255-2273, doi: 10.1021/cr500373h.

31. Kutuzov, M. M., Kurgina, T. A., Belousova, E. A., Khodyreva, S. N., and Lavrik, O. I. (2019) Optimization of nucleosome assembly from histones and model DNAs and estimation of the reconstitution efficiency, Biopolym. Cell, 35, 91-98, doi: 10.7124/bc.00099A.

32. Beard, B. C., Wilson, S. H., and Smerdon, M. J. (2003) Suppressed catalytic activity of base excision repair enzymes on rotationally positioned uracil in nucleosomes, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 100, 7465-7470, doi: 10.1073/pnas.1330328100.

33. Cole, H. A., Tabor-Godwin, J. M., and Hayes, J. J. (2010) Uracil DNA glycosylase activity on nucleosomal DNA depends on rotational orientation of targets, J. Biol. Chem., 285, 2876-2885, doi: 10.1074/jbc.M109.073544.

34. Hinz, J. M. (2014) Impact of abasic site orientation within nucleosomes on human APE1 endonuclease activity, Mutat. Res., 766, 19-24, doi: 10.1016/j.mrfmmm.2014.05.008.

35. Clark, N. J., Kramer, M., Muthurajan, U. M., and Luger, K. (2012) Alternative modes of binding of poly(ADP-ribose) polymerase 1 to free DNA and nucleosomes, J. Biol. Chem., 287, 32430-32439, doi: 10.1074/jbc.M112.397067.

36. D’Amours, D., Desnoyers, S., D’Silva, I., and Poirier, G. G. (1999) Poly(ADP-ribosyl)ation reactions in the regulation of nuclear functions, Biochem. J., 342, 249-268.

37. Messner, S., Altmeyer, M., Zhao, H., Pozivil, A., Roschitzki, B., et al. (2010) PARP1 ADP-ribosylates lysine residues of the core histone tails, Nucleic Acids Res., 38, 6350-6362, doi: 10.1093/nar/gkq463.

38. Kutuzov, M. M., Belousova, E. A., Kurgina, T. A., Ukraintsev, A. A., Vasil’eva, I. A., et al. (2021) The contribution of PARP1, PARP2 and poly(ADP-ribosyl)ation to base excision repair in the nucleosomal context, Sci. Rep., 11, 4849-4865, doi: 10.1038/s41598-021-84351-1.

39. Amé, J.-C., Kalisch, T., Dantzer, F., and Schreiber, V. (2011) Purification of recombinant poly(ADP-ribose) polymerases, Methods Mol. Biol., 780, 135-152, doi: 10.1007/978-1-61779-270-0_9.

40. Laemmli, U. K. (1970) Cleavage of structural proteins during the assembly of the head of bacteriophage T4, Nature, 227, 680-685, doi: 10.1038/227680a0.

41. Dey, B., Thukral, S., Krishnan, S., Chakrobarty, M., Gupta, S., et al. (2012) DNA–protein interactions: Methods for detection and analysis, Mol. Cell. Biochem., 365, 279-299, doi: 10.1007/s11010-012-1269-z.

42. Zhou, C., Sczepanski, J. T., and Greenberg, M. M. (2012) Mechanistic studies on histone catalyzed cleavage of apyrimidinic/apurinic sites in nucleosome core particles, J. Am. Chem. Soc., 134, 16734-16741, doi: 10.1021/ja306858m.

43. Sczepanski, J. T., Zhou, C., and Greenberg, M. M. (2013) Nucleosome core particle – catalyzed strand scission at abasic sites, Biochemistry, 52, 2157-2164, doi: 10.1021/bi3010076.

44. Yang, K., and Greenberg, M. M. (2018) Enhanced cleavage at abasic sites within clustered lesions in nucleosome core particles, Chembiochem, 19, 2061-2065, doi: 10.1002/cbic.201800338.

45. Kutuzov, M. M., Khodyreva, S. N., Ilina, E. S., Sukhanova, M. V., Amé, J.-C., et al. (2015) Interaction of PARP-2 with AP site containing DNA, Biochimie, 112, 10-19, doi: 10.1016/j.biochi.2015.02.010.

46. Wiederhold, L., Leppard, J. B., Kedar, P., Karimi-Busheri, F., Rasouli-Nia, A., et al. (2004) AP endonuclease-independent DNA base excision repair in human cells, Mol. Cell, 15, 209-220, doi: 10.1016/j.molcel.2004.06.003.

47. Khodyreva, S. N., and Lavrik, O. I. (2020) Non-canonical interaction of DNA repair proteins with intact and cleaved AP sites, DNA Repair (Amst), 90, 102847-102861, doi: 10.1016/j.dnarep.2020.102847.

48. Fromme, J. C., and Verdine, G. L. (2004) Base excision repair, Adv. Protein Chem., 69, 1-41, doi: 10.1016/S0065-3233(04)69001-2.

49. Krokeide, S. Z., Bolstad, N., Laerdahl, J. K., Bjørås, M., and Luna, L. (2009) Expression and purification of NEIL3, a human DNA glycosylase homolog, Protein Expr. Purif., 65, 160-164, doi: 10.1016/j.pep.2008.11.014.

50. Piersen, C. E., McCullough, A. K., and Lloyd, R. S. (2000) AP lyases and dRPases: Commonality of mechanism, Mutat. Res., 459, 43-53, doi: 10.1016/s0921-8777(99)00054-3.

51. Khodyreva, S. N., and Lavrik, O. I. (2011) Affinity modification in a proteomic study of DNA repair ensembles, Bioorg. Khim., 37, 91-107, doi: 10.1134/s1068162011010109.

52. Galas, D. J., and Schmitz, A. (1978) DNAse footprinting: a simple method for the detection of protein-DNA binding specificity, Nucleic Acids Res., 5, 3157-3170, doi: 10.1093/nar/5.9.3157.

53. Maluchenko, N. V., Nilov, D. K., Pushkarev, S. V., Kotova, E. Y., Gerasimova, N. S., et al. (2021) Mechanisms of nucleosome reorganization by PARP1, Int. J. Mol. Sci., 22, 12127, doi: 10.3390/ijms222212127.

54. Gaullier, G., Roberts, G., Muthurajan, U. M., Bowerman, S., Rudolph, J., et al. (2020) Bridging of nucleosome-proximal DNA double-strand breaks by PARP2 enhances its interaction with HPF1, PLoS One, 15, doi: 10.1371/journal.pone.0240932.