Регуляция активности репарационных ДНК‑полимераз β и λ белками XRCC1, PARP1 и PARP2

Аннотация

Исправление повреждений ДНК системой эксцизионной репарации оснований (BER) – сложный многостадийный процесс, требующий четкой координации и регуляции активности ферментов, участвующих на каждой его стадии. Центральная стадия этого процесса – ресинтез ДНК в бреши, образующейся после удаления поврежденного нуклеотида. ДНК-полимеразы β (Pol β) и λ (Pol λ) семейства X обладают всеми свойствами, необходимыми для репарационного синтеза. В то же время известно, что основную роль в репарационном синтезе в процессе BER играет Pol β, что может быть обусловлено влиянием других факторов BER, регулирующих активность этого фермента. Важную роль в формировании функциональных комплексов в процессе BER играют белок-платформа XRCC1 и поли(ADP‑рибоза)-полимеразы 1 и 2 (PARP1 и PARP2). Исследовано влияние XRCC1, PARP1, PARP2 и поли(ADP‑рибозил)илирования на активность Pol β и Pol λ в реакции заполнения однонуклеотидной бреши в процессе BER. Показано, что XRCC1 стимулирует активность Pol λ значительно сильнее, чем Pol β. PARP1 и PARP2 ингибируют обе ДНК-полимеразы, ингибирующий эффект PARP1 более выражен на ДНК, содержащей остаток фуранофосфата на 5′‑конце бреши, а PARP2 – на ДНК с 5′‑фосфатной группой в бреши. В присутствии XRCC1 наблюдается частичное восстановление активности полимераз, более эффективное для Pol β. Можно предположить, что комплекс XRCC1–Pol β конкурирует с PARP1/2 за связывание с ДНК сильнее, чем комплекс XRCC1–Pol λ. При добавлении к PARP2 NAD⁺ активность Pol β восстанавливается в большей степени в присутствии XRCC1, тогда как для Pol λ такого эффекта не наблюдается. Наблюдаемые различия могут быть одной из причин более эффективного функционирования в качестве главной ДНК-полимеразы Pol β, а не Pol λ.

Сноски

* Адресат для корреспонденции.

Дополнительные материалы

Приложение

Вклад авторов

Н.И. Речкунова и О.И. Лаврик – концепция и руководство работой; Н.А. Лебедева и Е.А. Мальцева – проведение экспериментов; Н.А. Лебедева, Е.А. Мальцева, Н.И. Речкунова и О.И. Лаврик – обсуждение результатов исследования; Н.А. Лебедева и Н.И. Речкунова – написание текста; Н.И. Речкунова и О.И. Лаврик – редактирование текста статьи.

Финансирование

Работа выполнена при финансовой поддержке Российского научного фонда (гранты №№ 21-64-00017 (получение и исследование мутантной формы Pol λ) и 25-74-30006 (сравнение Pol λ и Pol β)) и в рамках государственного задания ИХБФМ СО РАН № 125012300658-9 (дизайн и синтез олигонуклеотидов, использование оборудования общего пользования).

Благодарности

Авторы благодарны Кутузову М.М. за предоставление препаратов белков PARP1 и PARP2.

Конфликт интересов

Авторы заявляют, что у них нет конфликта интересов.

Соблюдение этических норм

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

Список литературы

1. Krokan, H. E., and Bjørås, M. (2013) Base excision repair, Cold Spring Harb. Perspect. Biol., 5, a012583, https://doi.org/10.1101/cshperspect.a012583.

2. Wilson, S. H., and Kunkel, T. A. (2000) Passing the baton in base excision repair, Nat. Struct. Biol., 7, 176-178, https://doi.org/10.1038/73260.

3. 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, https://doi.org/10.1093/nar/gkv569.

4. Lavrik, O. I. (2020) PARPs’ impact on base excision DNA repair, DNA Repair (Amst), 93, 102911, https://doi.org/10.1016/j.dnarep.2020.102911.

5. 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, https://doi.org/10.1007/s00018-014-1820-z.

6. Васильева А. А., Моор Н. А., Лаврик О. И. (2020) Влияние окисления белка XRCC1 человека на функциональную активность его комплексов с ключевыми ферментами эксцизионной репарации оснований ДНК, Биохимия, 85, 335-347, https://doi.org/10.31857/S0320972520030045.

7. Caldecott, K. W. (2019) XRCC1 protein; form and function, DNA Repair, 81, 102664, https://doi.org/10.1016/j.dnarep.2019.102664.

8. Beard, W. A. (2020) DNA polymerase β: closing the gap between structure and function, DNA Repair (Amst), 93, 102910, https://doi.org/10.1016/j.dnarep.2020.102910.

9. Tang, Q., and Çağlayan, M. (2021) The scaffold protein XRCC1 stabilizes the formation of polβ/gap DNA and ligase IIIα/nick DNA complexes in base excision repair, J. Biol. Chem., 297, 101025, https://doi.org/10.1016/j.jbc.2021.101025.

10. García-Díaz, M., Bebenek, K., Kunkel, T. A., and Blanco, L. (2001) Identification of an intrinsic 5-deoxyribose-5-phosphate lyase activity in human DNA polymerase lambda: a possible role in base excision repair, J. Biol. Chem., 276, 34659-34663, https://doi.org/10.1074/jbc.M106336200.

11. Lebedeva, N. A., Rechkunova, N. I., Dezhurov, S. V., Khodyreva, S. N., Favre, A., Blanco, L., and Lavrik, O. I. (2005) Comparison of functional properties of mammalian DNA polymerase lambda and DNA polymerase beta in reactions of DNA synthesis related to DNA repair, Biochim. Biophys. Acta, 1751, 150-158, https://doi.org/10.1016/j.bbapap.2005.05.012.

12. Lee, J.W., Blanco, L., Zhou, T., Garcia-Diaz, M., Bebenek, K., Kunkel, T. A., Wang, Z., and Povirk, L. F. (2004) Implication of DNA polymerase lambda in alignment-based gap filling for nonhomologous DNA end joining in human nuclear extracts, J. Biol. Chem., 279, 805-811, https://doi.org/10.1074/jbc.M307913200.

13. Fan, W., and Wu, X. (2004) DNA polymerase lambda can elongate on DNA substrates mimicking non-homologous end joining and interact with XRCC4-ligase IV complex, Biochem. Biophys. Res. Commun., 323, 1328-1333, https://doi.org/10.1016/j.bbrc.2004.09.002.

14. Yang, W., and Gao, Y. (2018) Translesion and repair DNA polymerases: diverse structure and mechanism, Annu. Rev. Biochem., 87, 239-261, https://doi.org/10.1146/annurev-biochem-062917-012405.

15. Shimazaki, N., Yoshida, K., Kobayashi, T., Toji, S., Tamai, K., and Koiwai, O. (2002) Over-expression of human DNA polymerase lambda in E. coli and characterization of the recombinant enzyme, Genes Cells, 7, 639-651, https://doi.org/10.1046/j.1365-2443.2002.00547.x.

16. Blanca, G., Shelev, I., Ramadan, K., Villani, G., Spadari, S., Hübscher, U., and Maga, G. (2003) Human DNA polymerase λ diverged in evolution from DNA polymerase β toward specific Mn⁺⁺ dependence: a kinetic and thermodynamic study, Biochemistry, 42, 7467-7476, https://doi.org/10.1021/bi034198m.

17. Мальцева Е. А., Речкунова Н. И., Лаврик О. И. (2023) Некаталитические домены ДНК-полимеразы λ: влияние на активность фермента и ее регуляцию, Доклады РАН. Науки о жизни, 512, 422-427, https://doi.org/10.31857/S2686738923600358.

18. Lebedeva, N. A., Anarbaev, R. O., Maltseva, E. A., Sukhanova, M. V., Rechkunova, N. I., and Lavrik, O. I. (2024) DNA repair protein XRCC1 stimulates activity of DNA polymerase λ under conditions of microphase separation, Int. J. Mol. Sci., 25, 6927, https://doi.org/10.3390/ijms25136927.

19. Ходырева С. Н., Лаврик О. И. (2016) Поли(ADP-рибоза)полимераза 1 – ключевой регулятор репарации ДНК, Мол. Биол., 50, 655-673, https://doi.org/10.7868/S0026898416040030.

20. Moor, N. A., Vasil’eva, I. A., Kuznetsov, N. A., and Lavrik, O. I. (2020) Human apurinic/apyrimidinic endonuclease 1 is modified in vitro by poly(ADP-ribose) polymerase 1 under control of the structure of damaged DNA, Biochimie, 168, 144-155, https://doi.org/10.1016/j.biochi.2019.10.011.

21. Altmeyer, M., Neelsen, K. J., Teloni, F., Pozdnyakova, I., Pellegrino, S., Grøfte, M., Rask, M. D., Streicher, W., Jungmichel, S, Nielsen, M. L., and Lukas, J. (2015) Liquid demixing of intrinsically disordered proteins is seeded by poly(ADP-ribose), Nat. Commun., 19, 8088, https://doi.org/10.1038/ncomms9088.

22. Alemasova, E. E., and Lavrik, O. I. (2017) At the interface of three nucleic acids: the role of RNA-binding proteins and poly(ADP-ribose) in DNA repair, Acta Naturae, 9, 4-16, https://doi.org/10.32607/20758251-2017-9-2-4-16.

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

24. 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, https://doi.org/10.1128/MCB.18.6.3563.

25. Demin, A. A., Hirota, K., Tsuda, M., Adamowicz, M., Hailstone, R., Brazina, J., Gittens, W., Kalasova, I., Shao, Z., Zha, S., Sasanuma, H., Hanzlikova, H., Takeda, S., and Caldecott, K. W. (2021) XRCC1 prevents toxic PARP1 trapping during DNA base excision repair, Mol Cell, 81, 3018-3030.e5, https://doi.org/10.1016/j.molcel.2021.05.009.

26. 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, https://doi.org/10.1016/j.mrfmmm.2009.08.009.

27. Amé, J.C., Rolli, V., Schreiber, V., Niedergang, C., Apiou, F., Decker, P., Muller, S., Höger, T., Ménissier-de Murcia, J., and de Murcia, G. (1999) PARP-2, A novel mammalian DNA damage-dependent poly(ADP-ribose) polymerase, J. Biol. Chem., 274, 17860-17868, https://doi.org/10.1074/jbc.274.25.17860.

28. Hanzlikova, H., Gittens, W., Krejcikova, K., Zeng, Z., and Caldecott, K. W. (2017) Overlapping roles for PARP1 and PARP2 in the recruitment of endogenous XRCC1 and PNKP into oxidized chromatin, Nucleic Acids Res., 45, 2546-2557, https://doi.org/10.1093/nar/gkw1246.

29. Hoch, N. C., and Polo, L. M. (2019) ADP-ribosylation: from molecular mechanisms to human disease, Genet. Mol. Biol., 43(1 suppl 1), e20190075, https://doi.org/10.1590/1678-4685-GMB-2019-0075.

30. Vasil’eva, I., Moor, N., Anarbaev, R., Kutuzov, M., and Lavrik, O. (2021) Functional roles of PARP2 in assembling protein-protein complexes involved in base excision DNA repair, Int. J. Mol. Sci., 22, 4679, https://doi.org/10.3390/ijms22094679.

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

32. Schreiber, V., Amé, J. C., Dollé, P., Schultz, I., Rinaldi, B., Fraulob, V., Ménissier-de Murcia, J., and de Murcia, G. (2002) Poly(ADP-ribose) polymerase-2 (PARP-2) is required for efficient base excision DNA repair in association with PARP-1 and XRCC1, J. Biol. Chem., 277, 23028-23036, https://doi.org/10.1074/jbc.M202390200.

33. Kutuzov, M., Sayfullina, D., Belousova, E., and Lavrik, O. (2025) HPF1 regulates Pol β efficiency in nucleosomes via the modulation of total poly(ADP-Ribose) synthesis, Int. J. Mol. Sci., 26, 1794, https://doi.org/10.3390/ijms26051794.

34. Sukhanova, M. V., Khodyreva, S. N., Lebedeva, N. A., Prasad, R., Wilson, S. H., and Lavrik, O. I. (2005) Human base excision repair enzymes apurinic/apyrimidinic endonuclease1 (APE1), DNA polymerase beta and poly(ADP-ribose) polymerase 1: interplay between strand-displacement DNA synthesis and proofreading exonuclease activity, Nucleic Acids Res., 33, 1222-1229, https://doi.org/10.1093/nar/gki266.

35. Kutuzov, M. M., Khodyreva, S. N., Amé, J. C., Ilina, E. S., Sukhanova, M. V., Schreiber, V., and Lavrik, O. I. (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, https://doi.org/10.1016/j.biochi.2013.01.007.

36. Braithwaite, E. K., Prasad, R., Shock, D. D., Hou, E. W., Beard, W. A., and Wilson, S. H. (2005) DNA polymerase lambda mediates a back-up base excision repair activity in extracts of mouse embryonic fibroblasts, J. Biol. Chem., 280, 18469-18475, https://doi.org/10.1074/jbc.M411864200.

37. Skosareva, L. V., Lebedeva, N. A., Rechkunova, N. I., Kolbanovskiy, A., Geacintov, N. E., and Lavrik, O. I. (2012) Human DNA polymerase λ catalyzes lesion bypass across benzo[a]pyrene-derived DNA adduct during base excision repair, DNA Repair (Amst), 11, 367-373, https://doi.org/10.1016/j.dnarep.2012.01.002.

38. Thapar, U., and Demple, B. (2019) Deployment of DNA polymerases beta and lambda in single-nucleotide and multinucleotide pathways of mammalian base excision DNA repair, DNA Repair (Amst), 76, 11-19, https://doi.org/10.1016/j.dnarep.2019.02.001.

39. Rechkunova, N. I., Zhdanova, P. V., Lebedeva, N. A., Maltseva, E. A., Koval, V. V., and Lavrik, O. I. (2022) Structural features of DNA polymerases β and λ in complex with benzo[a]pyrene-adducted DNA cause a difference in lesion tolerance, DNA Repair (Amst), 116, 103353, https://doi.org/10.1016/j.dnarep.2022.103353.

40. Sukhanova, M. V., Anarbaev, R. O., Maltseva, E. A., Kutuzov, M. M., and Lavrik, O. I. (2024) Divalent and multivalent cations control liquid-like assembly of poly(ADP-ribosyl)ated PARP1 into multimolecular associates in vitro, Commun. Biol., 7, 1148, https://doi.org/10.1038/s42003-024-06811-4.

41. Sambrook, J., Fritsch, E. F., and Maniatis, T. (1989) Molecular Cloning, Cold Spring Harbor Laboratory Press, Cold Spring Harbor, New York.

42. Matsumoto, Y., and Kim, K. (1995) Excision of deoxyribose phosphate residues by DNA polymerase beta during DNA repair, Science, 269, 699-702, https://doi.org/10.1126/science.7624801.

43. Liu, Y., Beard, W. A., Shock, D. D., Prasad, R., Hou, E. W., and Wilson, S. H. (2005) DNA polymerase beta and flap endonuclease 1 enzymatic specificities sustain DNA synthesis for long patch base excision repair, J. Biol. Chem., 280, 3665-3674, https://doi.org/10.1074/jbc.M412922200.

44. Mani, R. S., Karimi-Busheri, F., Fanta, M., Caldecott, K. W., Cass, C. E., and Weinfeld, M. (2004) Biophysical characterization of human XRCC1 and its binding to damaged and undamaged DNA, Biochemistry, 43, 16505-16514, https://doi.org/10.1021/bi048615m.

45. García-Díaz, M., Bebenek, K., Sabariegos, R., Domínguez, O., Rodríguez, J., Kirchhoff, T., García-Palomero, E., Picher, A. J., Juárez, R., Ruiz, J. F., Kunkel, T. A., and Blanco, L. (2002) DNA polymerase lambda, a novel DNA repair enzyme in human cells, J. Biol. Chem., 277, 13184-13191, https://doi.org/10.1074/jbc.M111601200.

46. 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, https://doi.org/10.1093/nar/gku474.

47. Kurgina, T. A., Moor, N. A., Kutuzov, M. M., and Lavrik, O. I. (2022) The HPF1-dependent histone PARylation catalyzed by PARP2 is specifically stimulated by an incised AP site-containing BER DNA intermediate, DNA Repair (Amst), 120, 103423, https://doi.org/10.1016/j.dnarep.2022.103423.

48. Kurgina, T. A., Moor, N. A., Kutuzov, M. M., Endutkin, A. V., and Lavrik, O. I. (2025) Deciphering the dark side of histone ADP-ribosylation: what structural features of damaged nucleosome regulate the activities of PARP1 and PARP2, Nucleic Acids Res., 53, gkaf864, https://doi.org/10.1093/nar/gkaf864.

49. 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, https://doi.org/10.1016/j.dnarep.2003.09.012.

50. Howard, M. J., Horton, J. K., Zhao, M. L., and Wilson, S. H. (2020) Lysines in the lyase active site of DNA polymerase β destabilize nonspecific DNA binding, facilitating searching and DNA gap recognition, J. Biol. Chem., 295, 12181-12187, https://doi.org/10.1074/jbc.RA120.013547.

51. Uchiyama, Y., Takeuchi, R., Kodera, H., and Sakaguchi, K. (2009) Distribution and roles of X-family DNA polymerases in eukaryotes, Biochimie, 91, 165-170, https://doi.org/10.1016/j.biochi.2008.07.005.

52. Uchiyama, Y., Suzuki, Y., and Sakaguchi, K. (2008) Characterization of plant XRCC1 and its interaction with proliferating cell nuclear antigen, Planta, 227, 1233-1241, https://doi.org/10.1007/s00425-008-0695-3.