Структурные особенности интермедиата репарации нуклеосомной ДНК влияют на активность PARP2 в процессе HPF1‑независимой автомодификации

Аннотация

ДНК-зависимые ферменты клеточного ядра поли(ADP‑рибоза)-полимеразы 1 и 2 (PARP1 и PARP2) вовлечены в регуляцию различных путей репарации ДНК, включая эксцизионную репарацию оснований. Эти ферменты активируются при связывании с повреждениями ДНК и синтезируют отрицательно заряженный полимер – поли(ADP‑рибозу) (poly(ADP-ribose), PAR), ковалентно связанный с аминокислотными остатками белков-мишеней, в том числе самих PARP. Природа повреждений ДНК влияет на активность PARP2: фермент эффективнее активируется на разрывах ДНК, фланкированных фосфатом. Однако на сегодняшний день неясно, какие стадии реакции авто‑PAR-илирования PARP2 наиболее зависимы от структуры повреждённой ДНК. В данной работе мы исследовали зависимость активности PARP2 на различных стадиях реакции автомодификации (проводимой в отсутствие фактора PAR-илирования гистонов HPF1) от наличия однонуклеотидной бреши и её положения в ДНК, в том числе в составе нуклеосомы. Полученные результаты позволяют предположить, что наличие бреши влияет на сродство фермента к ДНК/нуклеосоме, определяющее число каталитически активных молекул PARP2 и эффективность инициации PAR-илирования. В то же время локализация специфичного повреждения в структуре ДНК/нуклеосомы, а именно удалённость от тупых концов ДНК и окружение гистоновых хвостов влияет на процесс удлинения PAR. Таким образом, структура повреждённой ДНК может оказывать влияние на количество и размер полимера, синтезируемого PARP2.

Сноски

* Адресат для корреспонденции.

Вклад авторов

Т.А. Кургина и Д.М. Штанов – проведение экспериментов; М.М. Кутузов – получение препаратов PARP2 и гистонов; Н.А. Моор – обсуждение результатов исследования, редактирование текста статьи; О.И. Лаврик – концепция и руководство работой, редактирование текста статьи.

Финансирование

Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований, проекты № 25-74-30006 (экспериментальная часть) и 25-74-10025 (получение рекомбинантного PARP2 и гистонов из эритроцитов Gallus gallus), и в рамках государственного задания для ИХБФМ СО РАН № 125012300658‑9 (получение ДНК-активаторов).

Благодарности

Коллектив авторов выражает благодарность С.Н. Ходыревой за предоставленные препараты рекомбинантных белков и В.М. Студитскому за предоставленную плазмиду.

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. Alemasova, E. E., and Lavrik, O. I. (2019) Poly(ADP-ribosyl)ation by PARP1: reaction mechanism and regulatory proteins, Nucleic Acids Res., 47, 3811-3827, https://doi.org/10.1093/nar/gkz120.

2. Mendoza-Alvarez, H., and Alvarez-Gonzalez, R. (1999) Biochemical characterization of mono(ADP-ribosyl)ated poly(ADP-ribose) polymerase, Biochemistry, 38, 3948-3953, https://doi.org/10.1021/bi982148p.

3. Kurgina, T. A., Anarbaev, R. O., Sukhanova, M. V., and Lavrik, O. I. (2018) A rapid fluorescent method for the real-time measurement of poly(ADP-ribose) polymerase 1 activity, Anal. Biochem., 545, 91-97, https://doi.org/10.1016/j.ab.2017.12.033.

4. Beneyton, A., Nonfoux, L., Gagné, J.-P., Rodrigue, A., Kothari, C., Atalay, N., Hendzel, M. J., Poirier, G. G., and Masson, J.-Y. (2023) The dynamic process of covalent and non-covalent PARylation in the maintenance of genome integrity: a focus on PARP inhibitors, NAR Cancer, 5, zcad043, https://doi.org/10.1093/narcan/zcad043.

5. Kumamoto, S., Nishiyama, A., Chiba, Y., Miyashita, R., Konishi, C., Azuma, Y., and Nakanishi, M. (2021) HPF1-dependent PARP activation promotes LIG3-XRCC1-mediated backup pathway of Okazaki fragment ligation, Nucleic Acids Res., 49, 5003-5016, https://doi.org/10.1093/nar/gkab269.

6. Kanev, P.-B., Atemin, A., Stoynov, S., and Aleksandrov, R. (2024) PARP1 roles in DNA repair and DNA replication: the basi(c)s of PARP inhibitor efficacy and resistance, Semin. Oncol., 51, 2-18, https://doi.org/10.1053/j.seminoncol.2023.08.001.

7. Lin, X., Jiang, W., Rudolph, J., Lee, B. J., Luger, K., and Zha, S. (2022) PARP inhibitors trap PARP2 and alter the mode of recruitment of PARP2 at DNA damage sites, Nucleic Acids Res., 50, 3958-3973, https://doi.org/10.1093/nar/gkac188.

8. Lin, X., Gupta, D., Vaitsiankova, A., Bhandari, S. K., Leung, K. S. K., Menolfi, D., Lee, B. J., Russell, H. R., Gershik, S., Huang, X., Gu, W., McKinnon, P. J., Dantzer, F., Rothenberg, E., Tomkinson, A. E., and Zha, S. (2024) Inactive Parp2 causes Tp53-dependent lethal anemia by blocking replication-associated nick ligation in erythroblasts, Mol. Cell, 84, 3916-3931.e7, https://doi.org/10.1016/j.molcel.2024.09.020.

9. Farrés, J., Llacuna, L., Martin-Caballero, J., Martínez, C., Lozano, J. J., Ampurdanés, C., López-Contreras, A. J., Florensa, L., Navarro, J., Ottina, E., Dantzer, F., Schreiber, V., Villunger, A., Fernández-Capetillo, O., and Yélamos, J. (2015) PARP-2 sustains erythropoiesis in mice by limiting replicative stress in erythroid progenitors, Cell Death Differ., 22, 1144-1157, https://doi.org/10.1038/cdd.2014.202.

10. Langelier, M.-F., Planck, J. L., Roy, S., and Pascal, J. M. (2012) Structural basis for DNA damage-dependent poly(ADP-ribosyl)ation by human PARP-1, Science, 336, 728-732, https://doi.org/10.1126/science.1216338.

11. Langelier, M.-F., Eisemann, T., Riccio, A. A., and Pascal, J. M. (2018) PARP family enzymes: regulation and catalysis of the poly(ADP-ribose) posttranslational modification, Curr. Opin. Struct. Biol., 53, 187-198, https://doi.org/10.1016/j.sbi.2018.11.002.

12. Obaji, E., Maksimainen, M. M., Galera-Prat, A., and Lehtiö, L. (2021) Activation of PARP2/ARTD2 by DNA damage induces conformational changes relieving enzyme autoinhibition, Nat. Commun., 12, 3479, https://doi.org/10.1038/s41467-021-23800-x.

13. Ogden, T. E. H., Yang, J.-C., Schimpl, M., Easton, L. E., Underwood, E., Rawlins, P. B., McCauley, M. M., Langelier, M.-F., Pascal, J. M., Embrey, K. J., and Neuhaus, D. (2021) Dynamics of the HD regulatory subdomain of PARP-1; substrate access and allostery in PARP activation and inhibition, Nucleic Acids Res., 49, 2266-2288, https://doi.org/10.1093/nar/gkab020.

14. 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.

15. Smith-Pillet, E. S., Billur, R., Langelier, M.-F., Talele, T. T., Pascal, J. M., and Black, B. E. (2025) A PARP2 active site helix melts to permit DNA damage-induced enzymatic activation, Mol. Cell, 85, 865-876.e4, https://doi.org/10.1016/j.molcel.2025.01.004.

16. Daniels, C. M., Ong, S.-E., and Leung, A. K. L. (2015) The promise of proteomics for the study of ADP-ribosylation, Mol. Cell, 58, 911-924, https://doi.org/10.1016/j.molcel.2015.06.012.

17. Bonfiglio, J. J., Fontana, P., Zhang, Q., Colby, T., Gibbs-Seymour, I., Atanassov, I., Bartlett, E., Zaja, R., Ahel, I., and Matic, I. (2017) Serine ADP-ribosylation depends on HPF1, Mol. Cell, 65, 932-940.e6, https://doi.org/10.1016/j.molcel.2017.01.003.

18. 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.

19. 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.

20. Kurgina, T. A., Moor, N. A., Kutuzov, M. M., Naumenko, K. N., Ukraintsev, A. A., and Lavrik, O. I. (2021) Dual function of HPF1 in the modulation of PARP1 and PARP2 activities, Commun. Biol., 4, 1259, https://doi.org/10.1038/s42003-021-02780-0.

21. Langelier, M.-F., Billur, R., Sverzhinsky, A., Black, B. E., and Pascal, J. M. (2021) HPF1 dynamically controls the PARP1/2 balance between initiating and elongating ADP-ribose modifications, Nat. Commun., 12, 6675, https://doi.org/10.1038/s41467-021-27043-8.

22. Rudolph, J., and Luger, K. (2025) Histone PARylation factor 1: a review of its role in the DNA damage response, Nucleic Acids Res., 53, gkaf1170, https://doi.org/10.1093/nar/gkaf1170.

23. Rudolph, J., Roberts, G., Muthurajan, U. M., and Luger, K. (2021) HPF1 and nucleosomes mediate a dramatic switch in activity of PARP1 from polymerase to hydrolase, eLife, 10, e65773, https://doi.org/10.7554/eLife.65773.

24. Gibbs-Seymour, I., Fontana, P., Rack, J. G. M., and Ahel, I. (2016) HPF1/C4orf27 is a PARP-1-interacting protein that regulates PARP-1 ADP-ribosylation activity, Mol. Cell, 62, 432-442, https://doi.org/10.1016/j.molcel.2016.03.008.

25. Longarini, E. J., and Matić, I. (2024) Preserving ester-linked modifications reveals glutamate and aspartate mono-ADP-ribosylation by PARP1 and its reversal by PARG, Nat. Commun., 15, 4239, https://doi.org/10.1038/s41467-024-48314-0.

26. Hrychova, K., Burdova, K., Polackova, Z., Giamaki, D., Valtorta, B., Brazina, J., Krejcikova, K., Kuttichova, B., Caldecott, K. W., and Hanzlikova, H. (2024) Dispensability of HPF1 for cellular removal of DNA single-strand breaks, Nucleic Acids Res., 52, 10986-10998, https://doi.org/10.1093/nar/gkae708.

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

28. Peterson, C. L., and Hansen, J. C. (2008) Chicken erythrocyte histone octamer preparation, Cold Spring Harb. Protoc., 2008, 5112, https://doi.org/10.1101/pdb.prot5112.

29. 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, https://doi.org/10.1074/jbc.272.2.1302.

30. Lin, W., Amé, J.-C., Aboul-Ela, N., Jacobson, E. L., and Jacobson, M. K. (1997) Isolation and characterization of the cDNA encoding bovine poly(ADP-ribose) glycohydrolase, J. Biol. Chem., 272, 11895-11901, https://doi.org/10.1074/jbc.272.18.11895.

31. 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.

32. Lowary, P. T., and Widom, J. (1998) New DNA sequence rules for high affinity binding to histone octamer and sequence-directed nucleosome positioning, J. Mol. Biol., 276, 19-42, https://doi.org/10.1006/jmbi.1997.1494.

33. 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, https://doi.org/10.7124/bc.00099A.

34. 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.

35. Sukhanova, M. V., Abrakhi, S., Joshi, V., Pastre, D., Kutuzov, M. M., Anarbaev, R. O., Curmi, P. A., Hamon, L., and Lavrik, O. I. (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, e60, https://doi.org/10.1093/nar/gkv1476.

36. 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, 120, 103423, https://doi.org/10.1016/j.dnarep.2022.103423.

37. Kutuzov, M. M., Belousova, E. A., Dreiman, V. M., and Lavrik, O. I. (2025) AP site does not introduce significant distortions into the DNA structure in the nucleosomes in vitro, Biochemistry (Moscow), 90, 1116-1125, https://doi.org/10.1134/S000629792560053X.

38. Ilina, E. S., Lavrik, O. I., and Khodyreva, S. N. (2021) 5′-Deoxyribose phosphate lyase activity of apurinic/apyrimidinic endonuclease 1, Mol. Biol., 55, 234-240, https://doi.org/10.1134/S0026893321020084.

39. 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, 864, https://doi.org/10.1093/nar/gkaf864.

40. Sukhanova, M. V., Hamon, L., Kutuzov, M. M., Joshi, V., Abrakhi, S., Dobra, I., Curmi, P. A., Pastre, D., and Lavrik, O. I. (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, https://doi.org/10.1016/j.jmb.2019.05.028.

41. Desmarais, Y., Ménard, L., Lagueux, J., and Poirier, G. G. (1991) Enzymological properties of poly(ADP-ribose)polymerase: characterization of automodification sites and NADase activity, Biochim. Biophys. Acta, 1078, 179-186, https://doi.org/10.1016/0167-4838(91)99007-f.

42. Ukraintsev, A. A., Belousova, E. A., Kutuzov, M. M., and Lavrik, O. I. (2022) Study of interaction of the PARP family DNA-dependent proteins with nucleosomes containing DNA intermediates of the initial stages of BER process, Biochemistry (Moscow), 87, 331-345, https://doi.org/10.1134/S0006297922040034.

43. Obaji, E., Haikarainen, T., and Lehtiö, L. (2018) Structural basis for DNA break recognition by ARTD2/PARP2, Nucleic Acids Res., 46, 12154-12165, https://doi.org/10.1093/nar/gky927.

44. Zhang, L., Lampela, O., Lehtiö, L., and Juffer, A. H. (2025) Insights into the behaviour of phosphorylated DNA breaks from molecular dynamic simulations, Comput. Biol. Chem., 115, 108337, https://doi.org/10.1016/j.compbiolchem.2024.108337.

45. Sefer, A., Kallis, E., Eilert, T., Röcker, C., Kolesnikova, O., Neuhaus, D., Eustermann, S., and Michaelis, J. (2022) Structural dynamics of DNA strand break sensing by PARP-1 at a single-molecule level, Nat. Commun., 13, 6569, https://doi.org/10.1038/s41467-022-34148-1.

46. Amé, J.-C., Rolli, V., Schreiber, V., Niedergang, C., Apiou, F., Decker, P., Muller, S., Höger, T., Murcia, J. M., 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.

47. Ménissier de Murcia, J., Ricoul, M., Tartier, L., Niedergang, C., Huber, A., Dantzer, F., Schreiber, V., Amé, J.-C., Dierich, A., LeMeur, M., et al. (2003) Functional interaction between PARP-1 and PARP-2 in chromosome stability and embryonic development in mouse, EMBO J., 22, 2255-2263, https://doi.org/10.1093/emboj/cdg206.

48. Szántó, M., Yélamos, J., and Bai, P. (2024) Specific and shared biological functions of PARP2 – is PARP2 really a lil’ brother of PARP1? Expert. Rev. Mol. Med., 26, e13, https://doi.org/10.1017/erm.2024.14.

49. Maluchenko, N., Saulina, A., Geraskina, O., Kotova, E., Korovina, A., Armeev, G., Kirpichnikov, M., Feofanov, A., and Studitsky, V. (2025) Poly(ADP-ribose)polymerase 2 is zinc-dependent enzyme and nucleosome reorganizer, Cell. Mol. Life Sci., 82, 267, https://doi.org/10.1007/s00018-025-05785-8.