文摘
衰老是一个多因子的过程,取决于不同的分子和细胞机制,如基因组维护和炎症。核酶聚(ADP-ribose)聚合酶1 (PARP1)的催化合成生物聚合物聚(ADP-ribose),展览一个至关重要的角色,在这两个过程。一方面,PARP1作为基因组看守参与染色质重塑,DNA修复,端粒的维护,解决重复的压力,和细胞周期控制。另一方面,PARP1充当中介的炎症由于其函数作为管理者的NF -κB和其他转录因子及其潜在诱导细胞死亡。因此,PARP1代表了一个有趣的球员在一些老化的机制,讨论了寿命安全系数一方面和另一方面aging-promoting因素。在这里,我们审查的潜在分子机制变得PARP1各种角色的长寿和衰老细胞研究特别强调,我们简要讨论的结果在活的有机体内研究在小鼠和人类。
1。基因组稳定性、炎症和老化
老化被定义为一个进步postmaturational生理能力下降,伴随着对疾病的易感性和增加死亡率增加的风险。维持基因组稳定机制被认为是对抗衰老,而炎症被认为是人类老化的驱动力(1]。
大量的证据支持这个理论,基因组不稳定性作为诱因在老化过程中,这是明显的事实,大多数小鼠模型早衰以及人类的早衰症状相关的基因组机制缺陷维护(2]。这可能归因于这样一个事实:DNA是所有细胞rna和蛋白质的蓝图。任何获得变化的序列,这可能源于分子破坏,是永久性的,因此可能会带来不可逆转的后果。出于这个原因性质的投资在一个复杂的网络各种机制(i)维持基因组的完整性,如DNA修复和细胞周期控制,和(2)撤回从身体严重受损细胞,细胞凋亡和细胞衰老等。然而,即使这些机制可能是非常有效的他们无法应付所有的侮辱诱导基因组,从而逐步积累的DNA损伤和突变,从而导致机体衰老(2]。
另一方面,直接关系之间存在生理衰老和慢性炎症性疾病的发病率增加。急性的炎症充当保护机制以应对病原体入侵或组织损伤,并有助于恢复生理完整性和功能。然而,在其慢性形式,炎症可以对细胞造成的不利影响以及机体水平。慢性炎症组织的特点是免疫细胞的渗透,新血管形成、纤维化,并经常组织损伤和坏死(3]。先天免疫系统,尤其是单核吞噬细胞系统,是慢性炎症的最重要的中介。单核细胞来源于骨髓髓系造血细胞谱系。在血液中的单核细胞是被特定的刺激到不同的组织,分化成巨噬细胞吞噬。巨噬细胞参与杀死入侵微生物和新兴肿瘤细胞通过产生活性氧(ROS和RNS)或氮物种。此外,巨噬细胞分泌细胞因子,它扮演着一个关键角色,多种免疫功能的规定,尤其是炎症反应(3]。在老化过程中,连续重复抗原引起的免疫系统压力刺激,如感染、食物抗原,过敏原,和自我抗原,导致增加激活细胞和促炎细胞因子的分泌,如肿瘤坏死因子α(4]。这些循环促炎的因素可能使免疫系统在慢性低水平的激活状态,这种现象称为“inflammaging”[5,6]。最终,这将导致“免疫衰老”,也就是说,与年龄相关的适应性免疫的能力下降,包括更具体的反应由B和T细胞(7]。因此,先进的年龄,免疫系统经历了一个渐进重构在试图重建一个新的平衡,保证生存,然而,有利于慢性炎症的发展条件5,6,8,9]。
DNA损伤和炎症必然相关的生产活性化学物种,ROS和RNS等。细胞ROS和RNS生产不断发生在生理和病理生理条件下由于电子漏线粒体电子传递链,通过酶如NADPH氧化酶、一氧化氮合成酶和黄嘌呤氧化酶。“老化的自由基理论”认为衰老及其相关疾病的净结果有空radical-induced伤害和无法平衡这些变化由抗氧化防御系统和足够的DNA修复(10]。慢性炎症导致广泛的ROS的生成和RNS通过激活巨噬细胞和中性粒细胞,DNA损伤细胞大分子包括(11,12]。相反,ROS的生成和RNS激活氧化还原敏感的转录因子,如NF -κB,导致炎性分子的生成。此外,DNA损伤可以诱导细胞衰老、肿瘤抑制机制,也与年龄增长有关,导致炎性细胞因子的分泌,旁分泌作用称为senescence-associated分泌表型(SASP) [5,13]。,这可能引发积极的反馈回路,放大炎症的过程,伤害,和破坏靶细胞和器官,导致机体衰退和死亡。例如,慢性炎症有关老年性造血功能下降和间充质干细胞(14,15),涉及的中介几乎所有的aging-associated疾病,如血管疾病、糖尿病、神经退行性疾病和癌症(3,5,6,9]。
正如下面所讨论的,核酶PARP1代表一个因素,在基因组之间的接口的维护工作和炎症。因此,PARP1可能在一个敌对的多效性的方式,也就是说,运转寿命保证因素在年轻的年龄或生理条件和作为aging-promoting因素在老年或病理生理条件。在这篇文章中,我们将讨论的许多细胞功能PARP1在长寿和衰老机制的背景下,将把这个机体的角度,简要总结在活的有机体内研究在小鼠和人类。
2。PARP1和聚(ADP-ribosyl)
保利(ADP-ribosyl)是一个转译后的修改发生在大多数真核生物的蛋白质。家庭的反应是由酶的聚(ADP-ribose)聚合酶(parp)通过使用河畔+作为底物合成线性或分支生物聚合物聚(ADP-ribose) (PAR),由200 ADP-ribose子单元(图1)[16]。PARP激活导致各种蛋白质的共价修饰与票面价值包括PARP本身,作为他们automodification其中一些催化。共价键是介导通过附件谷氨酸、天冬氨酸、赖氨酸残基的蛋白质受体(16]。除了共价修饰,有些蛋白质还可以结合现有ADP-ribose链共价的方式,这通过至少三个不同的绑定是介导票面图案有约束力。包括(我)一个20个氨基酸的主题,(2)不同的macrodomains,和(3)PAR-binding锌手指,所有这些完成不同的细胞功能(17- - - - - -22]。而PAR-binding macrodomains和锌手指出现在数量有限的人类蛋白质(< 50),20-aa主题已被确定在人类蛋白质序列(几百17,18]。这种弱守恒的主题包括集群(i)富含碱性氨基酸和(2)一种疏水性氨基酸穿插基本残留(17,18]。大部分的假定的PAR-binding蛋白质识别参与广泛的细胞机制,如基因组维护,染色质重塑,转录、复制、RNA代谢、炎症、细胞周期控制,和细胞死亡18]。一般来说,聚(ADP-ribosyl)情况下调节目标蛋白质功能通过修改酶活动或互动与其他大分子如DNA, RNA,蛋白质或(23]。
重要的是,手机的存在是短暂的,因为聚合物迅速水解,parp分解,保利(ADP-ribose) glycohydrolase (PARG)。PARG拥有外和endoglycosidic活动和由单基因编码导致至少五个不同的剪接变体与不同的亚细胞本地化(24- - - - - -26]。此外,第二个酶被确认PARG活动较弱,也就是说,ADP-ribose-arginine蛋白质水解酶3 (ARH3),有证据表明,这种酶与PAR在线粒体退化27,28]。
PARP基因家族由17个同系物在人类基因组中(16]。PARP1基因家族的创始成员。展品主要角色在核和细胞功能的调节,可以激活通过DNA损伤,蛋白质转译后的修改,或可能通过直接蛋白质-蛋白质之间的关系29日]。最强的刺激PARP1活动是由绑定到DNA链断裂导致其催化活化由几个一棵(单体或二聚体30.- - - - - -33]。在这种情况下,PARP1占整个细胞> 75%聚(ADP-ribosyl)的信息容量34,35]。除了直接DNA damage-dependent PARP1激活,其活动也受转译后的修改如磷酸化、乙酰化、sumoylation [36- - - - - -40]。此外,PARP1活动是由直接调控蛋白质-蛋白质之间的关系(41- - - - - -43]。
三个非独家的细胞功能的机制PARP1可以区分:(i)的函数依赖PARP1和随后的共价修饰的酶活性或核蛋白质的共价相互作用与票面价值;(2)直接PARP1通过蛋白质与蛋白质的相互作用,相互作用,例如,通过BRCT域;(3)干预细胞河畔+代谢过度PARP1刺激和潜在的信号功能的免费标准或其衍生品。这些行为的后果对调制的基因组维护,染色质结构,炎症和细胞死亡在下面讨论。
3所示。PARP1基因组维护
据估计,成千上万的DNA损伤病变发生在哺乳动物细胞每天都需要被修复,以确保基因组稳定性和寿命。在哺乳动物中,至少有六个主要DNA修复途径存在,也就是说,O6甲基鸟嘌呤甲基转移酶(管理),基本切除修复(BER),核苷酸切除修复(NER),错配修复(MMR)和DNA双链断裂(双边带)修复包括subpathways同源重组(人力资源)和nonhomologous end-joining (NHEJ) [2]。
除了管理和MMR通路,有证据表明PARP1参与所有这些修复机制,因此,PARP1基因组稳定性的一般被认为是一个看守(29日]。值得注意的是,PARP1的招聘网站的DNA损伤和PAR的后续生产可能发生在几秒钟之内,是DNA损伤反应最快的一个44,45]。除了这个直接参与几个DNA修复机制,PARP1参与基因组染色质结构的维护通过其作为监管机构的角色和细胞周期调控(图2)。
一些细胞研究支持PARP1作为一般细胞生存的作用因素对基因毒性刺激:transdominant PARP1的抑制过度的DNA结合域增强细胞毒性治疗后细胞与烷化剂和电离辐射(46]。此外,PARP1-deficient细胞表现出增强的敏感性(烷基化剂47,48),显示姐妹染色单体交换频率增加,在基底条件下和在治疗(烷基化剂49,50]。与此一致的是,过度的研究表明PARP1作为负调节alkylation-induced姐妹染色单体交换(51),而体外人类PBMC与NAD的补充+前体烟酸增强细胞聚(ADP-ribosyl),提高细胞生存能力在诱导基因毒性压力(52]。
3.1。PARP1和染色质的监管
染色质的DNA和蛋白质是一个复杂的动态结构和参与复制、转录和其他基本的细胞过程。结构和功能变化与衰老相关的染色质广泛从酵母到哺乳动物(53]。衰老的分子机制导致染色质干扰在很大程度上是未知的,但是可能与未修理的DNA损伤的积累。另一方面,改变染色质结构对DNA损伤的易感性增加,表明DNA损伤的积极反馈机制的存在导致染色质重组,反过来,糖分会让DNA作为进一步损害的衬底。此外,有证据表明染色质缺陷导致转录程序改变从而导致的衰老过程53]。
PARP1充当染色质的结构和管理组成部分,无论是在未损坏的细胞和基因毒性压力。它可以调节染色质结构由保利(ADP-ribosyl)染色质定位组件直接,或间接通过控制招聘的染色质重塑因素(54]。许多受体和结合蛋白为染色质和核架构如组蛋白,核纤层蛋白,高机动组(HMG)蛋白质,异染色质蛋白1 (HP1), DEK蛋白(54- - - - - -59]。建议PARP1诱发histone-shuttling机制,基于发现聚(ADP-ribosyl) polynucleosomes定位原因放松活动的染色质结构和PARG降解PAR修饰组蛋白(60- - - - - -63年]。根据这一模型,DNA-bound组蛋白分离从DNA聚(ADP-ribosyl),导致开放的染色质结构和指导网站的DNA损伤修复因素。PAR的PARG降解后,再结合DNA与组蛋白,从而恢复凝聚染色质结构。此外,在DNA损伤,PARP1激活导致macroH2A1.1组蛋白变体的招聘网站的损害,瞬变引起染色质重组和动态调节DNA损伤反应(22]。金等人报道,PARP1本身可以作为一个组件染色质的64年),也就是说,组蛋白H1和PARP1绑定在核小体的竞争和相互排斥的方式在体外。因此,PARP1促进染色质的地方压实成高阶结构,它与转录相关的压制。作者建议PARP1调节染色质结构和基因转录DNA damage-independent的方式通过其内在的酶活性;即PARP1激活及其释放染色质automodification触发,从而促进染色质decondensation和基因转录的RNA聚合酶II。随后的细胞研究表明PARP1可以替代组蛋白H1在RNA聚合酶II-transcribed推动者,伴随着积极转录基因(65年]。
除了功能PARP1与组蛋白之间的相互作用,一个有趣的物理和功能之间存在交互PARP1和卡片。DEK蛋白是主要的非组蛋白的染色质DNA的组件和功能代谢和修复细胞,致癌作用和自身免疫在机体上。DEK经常发现是调节在肿瘤组织,和高水平的DEK支持细胞永生化细胞通过抑制衰老和细胞凋亡。一致,DEK缺乏细胞容易诱导的衰老反应基因毒性压力(66年]。我们和其他人表明PARP1保利(ADP-ribosyl)吃了卡片。此外,卡片与PAR非共价的方式调节其DNA结合亲和力和multimerization可能压力响应基因毒性和基因转录的影响。基因转录,DEK释放染色质在保利(ADP-ribosyl)情况下允许转录起始56,59,67年]。DEK本身或其相互作用与PARP1是否直接参与衰老机制还有待阐明。
PARP1激活也是很有必要交换组蛋白的H1和高机动B组(HMGB)的蛋白质,这是non-histone chromatin-associated蛋白质DNA弯曲,招募的DNA转录因子的目标(68年]。有趣的是,在炎症,HMGB1可以通过激活细胞分泌,抑制吞噬吸收由巨噬细胞死亡的细胞。HMGB1分泌在特定的刺激,也就是说,TLR4刺激高度聚(ADP-ribosyl)社会需求,提高了HMGB1的抑制作用在macrophage-dependent吞噬作用。这表明PAR的监管作用等炎症机制与潜在影响衰老的机制如下讨论(69年]。
重要的是,不仅染色质的结构组件是由聚(ADP-ribosyl),标准也是一个重要因素在染色质重塑因素的调节,如ALC1和讨厌的人21,70年- - - - - -72年]。例如,卑微的人的招聘染色质重构复杂的DNA损伤取决于网站的合成标准。有趣的是,这复杂的被确认为一个重要的调制器aging-associated染色质的缺陷,和损失的几个讨厌的人组件和功能明显在人类早衰(73年]。
PARP1在基因转录和染色质重塑的作用在一个令人印象深刻的展示了果蝇研究[74年]。作者发现PARP1膨胀形成的巨大的多线染色体的染色体是至关重要的。粉扑染色质结构的形成源自当地放松和与积极转录区域(74年]。榉等人提供了有趣的机械的证据表明PARP1-dependent DNA结合转录的起始和函数(68年]。根据这一工作,PARP1行为与另一个绑定合作伙伴,即拓扑异构酶II。拓扑异构酶ⅱ介绍了启动子的瞬态双链断裂,导致PARP1绑定和激活。随后的快速但是瞬态聚(ADP-ribosyl)触发染色质放松和转录的起始。
这些发现表明PARP1之间功能的相互作用与染色质组件和相关改造因素,暗示PARP1的积极作用在染色质功能和转录调控衰老过程。基因分析数据支持这种假设,因为PARP1缺乏改变相关基因的表达在细胞周期进展,DNA复制,氧化应激,癌症启动和老化75年,76年]。这些机制的详细的时空特征,然而,仍有待确定。
3.2。PARP1在DNA修复
正如上面所讨论的,大量的证据证明了决定性作用的基因组DNA修复和维护机制在哺乳动物的寿命。
基地切除修复(BER)是主要的DNA修复途径作用于损害发生在细胞代谢包括ROS损伤、甲基化、去氨基和羟基化。这些病变的水平随着年龄的增加,包括研究损伤8-oxoguanine。此外,误码率活动随着年龄降低在多个组织(77年]。核心系统的反应是由DNA单链断裂(单边带)在切除受损碱基的DNA糖基化酶(78年]。PARP1检测通过第二个锌指这样的单边带(ZFII),从而引发其酶激活(79年,80年]。此外,PARP1身体配合8-oxoguanine-DNA糖基化酶,进一步激发PARP1活动(81年]。重要的是,招聘系统加载平台的x射线修复补充因子1 (XRCC1)是完全依靠聚(ADP-ribsosyl) (82年,83年]。因此,PARP1和PAR所需XRCC1的组装和稳定核疫源地后DNA损伤(83年]。此外,XRCC1和PARP1与DNA聚合酶-β和DNA连接酶III,形成multiprotein复杂组成的主要方方面面因素(84年- - - - - -86年]。
仍然发现PARP1-deficient细胞合成PAR导致额外的核PARP的识别,也就是说,PARP2,也是激活基因毒性刺激(34,35]。PARP1 PARP2 homo和二聚化至少部分冗余的方式工作,因为只有double-knockout老鼠显示胚胎死亡率(87年,88年]。这个概念是由这一事实PARP2还参与数量和交互与XRCC1身体上和功能上,DNA聚合酶-β第三,DNA连接酶。招聘的研究表明在后续的步骤中PARP2系统修复的作用,如下模型提出的时空累积的方方面面因素:SSBs PARP1检测DNA结合域,导致其激活,生产标准,染色质放松。随后,附加PARP1分子所吸引,导致放大的信号。在“排斥,”PARP1 DNA分离,使招聘的误码率加载平台XRCC1 PARP2,进一步DNA修复的因素。这会触发重新填缝的DNA损伤和重建基因组完整性(89年]。
核苷酸切除修复负责笨重helix-distorting DNA加合物的清除,这是由于紫外线照射和内源性代谢物78年]。尼珥的功能性角色作为长寿的保证机制所代表的令人印象深刻的是,患者缺陷尼珥蛋白质的一个子集,也就是说,CSA和CSB(安乐乡综合征)和XPB XPD, TTDA (trichothiodystrophy),以及相应的小鼠模型,显示在一些组织一个强有力的过早衰老表型(2]。尽管在尼珥PARP1的作用不是非常成熟,至少两个尼珥因素,依赖DNA的atp酶的安乐乡综合症B组(CSB)蛋白质和DNA损伤识别蛋白质着色性干皮病组(XPA)被确定为标准绑定因素(17,90年,91年]。CSB还与PARP1物理相互作用,抑制了其atp酶活性聚(ADP-ribosyl)。一致,有证据表明从细胞培养研究PARP1参与尼珥的紫外线photo-damage产品(92年,93年]。
DNA双链断裂(双边带)来自电离辐射、自由基、化学物质,或在复制的单边带通过倒塌的复制叉。他们代表了大多数细胞毒性形式的DNA损伤,如果未修理的,他们可以引发细胞凋亡,衰老或基因组不稳定性。哺乳动物细胞修复双边带通过两种机制:同源重组(人力资源)利用姊妹染色单体或染色体错误修复的争端解决机构,而nonhomologous end-joining (NHEJ)只是再植免费DNA末端不使用一个模板。出于这个原因,NHEJ容易微小缺失或插入可引起移码突变(78年]。人力资源或NHJE是否使用取决于物种,细胞类型和细胞周期阶段(94年]。在这两种途径,PARP1已经参与在早期阶段。PARP1和争端解决机构传感复合物MRN (MRE11 / Rad50 / NBS1)(参与人力资源)和Ku70/80(参与NHEJ)被证明与在自由和竞争绑定DNA末端,与PARP1潜在指导这些蛋白质受损的网站(44,95年]。PARP1还身体上和功能上与两个磷脂酰肌醇存在蛋白激酶ATM(参与人力资源)和dna - pkcs(参与NHEJ),这对双边带信号至关重要(96年- - - - - -99年]。建议PARP1作为一般DNA-damage-detecting分子,这可能介导NHEJ和人力资源路径之间切换(94年]。与此一致的是,在NHEJ PARP1功能备份路径(95年,One hundred.),和几个报告证明PARP1 antirecombinogenic活动(101年- - - - - -103年]。一些信息的角色PARP1双边带修复了从研究调查PARP抑制剂的使用如下抗癌药物合成杀伤力的概念。根据这一概念,PARP1抑制单独显示没有细胞毒性影响人力资源熟练细胞,但在HR-defective引起细胞毒性细胞,例如,BRCA突变的癌细胞。这种积累引起的细胞毒性被认为是未修理的下面,转换为双边带的碰撞与复制机制无法修复由于缺乏人力资源,最终导致细胞死亡(104年]。最近的一项研究挑战了这一观点,提出的一个替代模型的基础上,发现coinactivation NHEJ获救BRCA1-deficient细胞合成致死效应表明PARP1催化活性调节NHEJ活动,从而防止NHEJ组件绑定到网站的DNA损伤(105年]。另一个研究报告说,失去PARP1活动本身可以抑制人力资源通过抑制BRCA1的表达和RAD51,两个关键因素在人力资源106年]。此外,PARP1被激活在复制叉调解Mre11-dependent重启停滞人力资源(107年]。另一个层面的复杂性被最近的工作表明SIRT6补充道,一个哺乳动物的酵母Sir2脱乙酰酶同系物函数作为长寿监管者在酵母,是双边带的招募网站。那里,SIRT6似乎刺激通过NHEJ双边带修复和人力资源。值得注意的是,SIRT6与PARP1和刺激其活动从而提高双边带修复后氧化应激(108年]。重要的是要注意,上述结果不一定是相互排斥的,但更多的工作来定义是必要的确切分子机制PARP1参与双边带修复和哪一个角色这可能在衰老。
3.3。PARP1,端粒的维护,WRN蛋白质
端粒是染色体末端的重复序列和功能作为一个缓冲区,以防止损失的编码序列在DNA复制。他们是由蛋白复合物称为shelterin封顶,紧密调节端粒结构的交互与几个DNA修复蛋白和telomere-elongating逆转录酶,端粒酶。端粒的恶化表示一个重要的因素在人类衰老(109年]。
PARP1调节端粒长度的作用已经确立。在活的有机体内端粒DNA,大量损失30%的第一代Parp1−−/老鼠(110年]。戈麦斯等人报道,PARP1限制正常的染色体端粒是可有可无的,但专门招募了端粒侵蚀,这可能有助于防止染色体的端到端融合和基因组不稳定性111年]。我们组在不同的细胞培养系统,药物抑制聚(ADP-ribosyl)或通过RNA干扰导致PARP1击倒一个快速降低端粒长度和稳定在一个较低的水平。重要的是,单股的端粒的过剩的长度和端粒酶活性受到PARP1抑制的影响。有趣的是,释放PARP抑制导致快速恢复telomerase-positive细胞端粒长度表明PARP1活动是一个重要的决定因素在端粒长度调节112年]。在分子水平上,PARP1端粒长度调节的功能可能取决于其与端粒重复绑定交互因子2 (TRF2)。TRF2 shelterin复杂是一个关键的组成部分,负责端粒的稳定性、非常规活动的长度调节和抑制的双链断裂修复机械维护t-loop [113年]。PARP1与并修改TRF2,保利(ADP-ribosyl)结束TRF2影响其绑定的端粒DNA (111年,114年]。
另一个PARP1互动合作伙伴参与端粒监管RecQ解旋酶WRN [115年]。罕见的常染色体隐性疾病沃纳综合症患者中WRN基因突变,显示基因组不稳定性和端粒缩短机体水平上的细胞和早衰症状类似于正常的人类衰老在许多方面包括白内障、灰白的头发和脱发,动脉粥样硬化,骨质疏松症和癌症发病率高。过早衰老表型的患者似乎至少在一定程度上依赖于端粒长度,因为人类端粒较短的症状只有重现在老鼠身上,也就是说,WRN /端粒酶double-knockout老鼠[115年,116年]。(注意。老鼠通常表现出比人类更长的端粒(~ 40 kb) (5 - 15 kb))。在细胞水平上,成纤维细胞来源于WS病人显示基因组不稳定性和降低复制的寿命。按照实验数据证明这种表型WRN参与DNA代谢的多个方面,如DNA复制、基因维护和端粒监管(115年]。WRN函数作为3′5′解旋酶和另外3′5′核酸外切酶。适当的酶活性WRN似乎对维持基因组的完整性至关重要,因为药物抑制WRN解旋酶的活动导致双边带和细胞凋亡117年]。WRN和PARP1直接相互影响身体和PARP1调节WRN的核酸外切酶和解旋酶的活动118年,119年]。PARP1 automodification,抑制WRN核酸外切酶和解旋酶活动的发布表明PARP1调节的时机WRN活动对其底物(113年]。PARP1的监管和WRN似乎是互惠的,因为保利(ADP-ribosyl)中受损WRN缺乏细胞表明WRN需要调节PARP1-dependent保利(ADP-ribosyl) (120年]。此外,其他因素比PARP1 WRN参与这些机制,因为WRN PARP1分享很多互动合作伙伴,包括dna - pk, P53, TRF2(图3)。例如,PARP1 WRN和dna - pk(包括Ku70/80和dna - pkcs)可以形成一个复杂的,PAR-modified Ku70/80抑制WRN [121年]。此外,PARP1和WRN都有积极的对端粒长度的影响,可能通过调节t-loop TRF2的绑定。基因合作PARP1 WRN演示在活的有机体内,因为老鼠缺乏在这两种蛋白质显示较高的染色单体断裂,比每个染色体重组和癌症single-mutant老鼠(122年]。此外,双突变体似乎减少值和最大寿命,尽管这些老鼠telomerase-positive遗传背景和端粒长度的single-mutant mef没有显著差异的double-mutant mef。这一发现表明,telomere-independent WRN和PARP1存在于鼠标的功能来维持机体寿命。(注意:相比之下,野生型mef显示30 - 40%更长的端粒)。总之,自PARP1 WRN共享许多互动合作伙伴和蛋白质参与其他DNA修复途径,如数量和NHEJ合作协同他们可能保持整体基因组稳定和确保长寿。
3.4。PARP1在DNA复制、有丝分裂和细胞周期控制
的WRN解旋酶还参与复制的压力的反应,细胞应激源与哺乳动物衰老由于其驱动能力的细胞,包括干细胞,在衰老和细胞凋亡123年,124年]。复制叉包含多个蛋白质解旋酶和聚合酶等,形成所谓的replisome。通常,复制叉的进展一直继续下去,直到遇到一个复制叉屏障如dna蛋白质复合物或下面。在这种情况下,复制的解旋酶的进展要慢得多,所以,叉”停滞不前。“如果这符合拆卸replisome叉的“崩溃”和双边带形成(125年]。WRN和PARP1停滞复活的复制叉。具体来说,PARP1结合并激活在停滞复制叉和调和Mre11的招聘,MRN复合物的重要组成部分。Mre11可能与WRN解旋酶切除DNA末端RAD51加载和随后的人力资源修复促进复制叉重启后释放复制块(44,107年,125年,126年]。按照这些数据,最近的一项研究表明,PARP活性有效复制叉需要重启与亚致死剂量治疗后细胞的复制压力1拓扑异构酶抑制剂喜树碱(127年]。
DNA复制完成后,适当的有丝分裂监管确保基因组的完整性至关重要(128年]。在有丝分裂期间,形成纺锤体极需要中心体,而着丝粒是组织着丝粒染色体区域,从而使有丝分裂纺锤体微管的附件。首先,证据作用的聚(ADP-ribosyl)对主轴监管从研究获得非洲爪蟾蜍光滑的鸡蛋提取表明PAR是一个组件的有丝分裂纺锤体和它的组装和功能需要,尽管这是归功于另一个PARP的酶活性家庭成员,也就是说,tankyrase-1 [129年,130年]。至于PARP1,是表明haploinsufficiency PARP1有关中心体复制和染色体不稳定(131年]。与此一致的是,PARP1本地化的中心体(132年,133年]。此外,PARP1和PARP2存在在着丝粒和与本构着丝粒蛋白Cenpa, Cenpb和轴检查点蛋白质Bub3 [134年,135年]。的物理和功能关系PARP1中心体和有丝分裂纺锤体的着丝粒DNA损伤监测链接检查站。认为有丝分裂纺锤体检查点蛋白质发挥重要作用,以确保支持哺乳动物寿命研究表明小鼠低水平的有丝分裂检查点蛋白BubR1和老鼠haploinsufficient Bub3和Rae1-another有丝分裂检查点gene-age过早(注意:这些基因的完整基因敲除的结果在小鼠胚胎杀伤力)[136年,137年]。
因为严重的DNA损伤或有丝分裂misregulation可能导致基因组不稳定性导致肿瘤形成,一个复杂的细胞网络安全已经抵消致癌作用。这个信号网络可以阻止细胞周期不同阶段,从而诱导DNA修复,消除或中和严重受损细胞凋亡或衰老,分别。为此,细胞凋亡与衰老是强大的肿瘤抑制机制,但另一方面,这两个途径会导致损耗的再生细胞池,从而促进组织变性和器官衰竭,衰老的标志(138年]。细胞周期进程的一个最重要的监管机构和诱导衰老/凋亡是转录因子P53。因此,老鼠研究表明P53缺陷导致过早死亡由于肿瘤发展,而不断活跃P53预防癌症过早衰老表型的成本(138年]。符合PARP1和P53的角色作为监护人、监护人的基因组,分别PARP1和P53协同合作在活的有机体内在端粒和染色体的维护以及肿瘤抑制(139年- - - - - -143年]。许多功能PARP1和P53在DNA损伤反应之间的相互作用和细胞凋亡存在,如延迟P53 transactivation潜力PARP1-deficient细胞(144年- - - - - -147年]。除了作为基因表达的积极监管机构,P53还充当gene-specific转录transrepressor。有趣的是,P53-mediated transrepression的MTA1基因(MTA1、转移相关蛋白1),核小体的一个组件重构复杂与咄咄逼人肿瘤表型相关,取决于功能聚(ADP-ribosyl) P53定位148年]。另一方面,保利(ADP-ribosyl)的P53也能够抑制其绑定到转录共识序列,表明PARP1之间存在多方面的监管机制和P53 [149年,150年]。金井等人建议PARP1-dependent P53的监管活动的一种机制。根据这项研究,聚(ADP-ribosyl)引发的结构性变化P53,掩盖其核出口序列,导致P53在细胞核的积累,它发挥其transactivational功能。因此,受体网站的P53突变突变是局部细胞质在更大程度上比野生型P53 [151年]。
总之,有充分证据表明,PARP1调节P53稳定、细胞内定位,转录活动可能影响细胞凋亡的诱导和衰老细胞和机体水平因此衰老和长寿。然而,研究结合PARP1和P53在衰老过程中的作用是复杂的情况,与在肿瘤抑制基因缺陷小鼠模型显示cancer-dependent过早死亡与其他无关的过早老化的迹象。复杂的发展条件与spatiotemporal-controlled PARP1和P53的表达小鼠模型可能代表一种方法来克服这些障碍。
3.5。PARP1寿命安全系数
正如在前面的章节所讨论的,PARP1充当一般看守基因组稳定性和与各种因素有关,其参与的老化和长寿机制。这表明PARP1作为长寿的潜在作用支持的保证因素在活的有机体内简要地讨论了在接下来的研究。
有大量的证据显示正相关的聚(ADP-ribosyl)的信息容量和哺乳动物的寿命。以前,我们表明,多晶硅产能(ADP-ribosyl)外周血单核细胞(PBMCs) 13哺乳动物物种的强烈与他们最大寿命,例如,最大聚(ADP-ribosyl)城市化水平比在啮齿动物(人类高出5倍152年]。有趣的是,这些不同的聚(ADP-ribosyl)不与不同的酶水平相关,而是受到更高的聚(ADP-ribosyl)能力的人类PARP1酶相比,其鼠标ortholgue [153年]。此外,聚(ADP-ribosyl)能力在人类和啮齿动物(PBMCs随年龄增长而下降152年,154年]。有趣的是,人类表现出一个出色的长寿命,也就是说,百岁老人,显示一个明显高于聚(ADP-ribosyl)信息容量比一般人口(155年),这是与这些年轻的学科(156年]。
除了这些相关研究,研究Parp1−−/老鼠表明PARP1作为寿命安全系数的作用。因此,Parp1−−/小鼠和细胞对dna有害和极其敏感Parp1−−/细胞显示增加自发的基因组不稳定性的姐妹染色单体交换频率、染色体畸变、微核形成,证实PARP1函数一般看守的基因组157年]。支持的观点PARP1抵消衰老过程是发现Parp1−−/小鼠年龄中等速度相对于野生型对照组(158年]。此外,这种和其他各种研究支持这样的观点:PARP1作为肿瘤抑制基因,自从PARP1缺乏提高致癌作用在衰老和诱导的DNA损伤因子(143年,158年- - - - - -161年]。从人类研究一致,数据显示,hypomorphic PARP1多态性(V762A)作为风险因素在某些类型的人类癌症的发展162年- - - - - -166年]。
总之,PARP1参与各种基因组维护机制,如染色质重塑、DNA修复、活化停滞的复制叉,端粒维护和细胞周期控制。符合它的作用一般看守的基因组,有强有力的证据在活的有机体内研究表明PARP1确实函数作为一个长寿的保证因素。另一方面,PARP1之间的相互作用与免疫功能的主要监管机构,如NF -κB,其潜在诱导细胞死亡可能导致aging-promoting机制作为在以下部分中讨论。
4所示。PARP1在炎症和细胞死亡
首先,证据表明PARP1导致炎症和相关疾病的发展揭示了基因的研究Parp1−−/老鼠,因为这些动物是受一些炎症和细胞死亡率缺血性梗塞等疾病,胶原诱导关节炎、LPS-induced脓毒性休克(157年,167年]。此外,Parp1−−/动物抵抗MPTP-induced帕金森症和体外糖尿病(168年- - - - - -171年]。这些表型结果的分子和细胞机制及其可能的影响机制的衰老和长寿是下面讨论。
4.1。PARP1, NF -B,炎症
各种研究表明,PARP1参与转录过程的监管,通过一般的染色质重塑或通过特定的交互和监管范围广泛的转录因子(171年,172年]。
也许最好的学习交互是PARP1 NF -κ转录因子NF - bκB被认为是主监管机构在控制基因表达在炎性刺激。NF -κB是由二聚的Rel家庭成员的组合与主要的子单元p65 p50。在nonstimulated细胞,NF -κB位于细胞质中通过抑制我的绑定κB蛋白。在炎性刺激我κ蛋白质磷酸化的我κB激酶(IKKs),导致他们由泛素蛋白酶体系统退化。随后,NF -κB是转移到细胞核,它可以激活一系列的基因的转录,尤其是炎症基因(173年]。除了监管NF -κB的亚细胞定位,其操作是严格监管核内转译后的修改和与转录辅因子的交互。重要的是,NF -κB-dependent衰老相关基因表达是鼠标以及在人类174年]。最近,这是表明活跃NF -κB信号导致过早衰老的老鼠(175年),和NF -阻塞κB在老年小鼠足以逆转皮肤老化的一些特性(174年,176年]。根据这些研究,药物抑制NF -κB延长寿命黑腹果蝇~ 15% (177年]。细胞的研究表明NF -κB-dependent可以诱导基因转录基因毒性压力和基因转录的研究在有条件地永生的人类成纤维细胞表明NF -κB信号发展的因果作用衰老(178年]。此外,NF -κB信号是参与维持细胞衰老,因为NF -κ杂交成纤维细胞逃脱衰老,使不灭速度(179年]。另一方面,NF -κB-dependent可以诱导基因转录基因毒性压力和需要许多SASP的转录因子(5]。总之,有大量证据表明NF -κB在衰老和衰老相关疾病中扮演着重要的角色180年]。
的表达和激活模式PARP1和NF -κ各组织B非常相似。的直接作用PARP1 NF -κB-mediated转录被发现的表达强调NF -κB-dependent促炎介质,如肿瘤坏死因子α、白细胞介素6、进气阀打开,受损Parp1−−/老鼠(167年,181年]。PARP1身体与两大亚基的NF -κB,也就是说,需要p65 p50, NF -κB-dependent基因转录(图4)[182年]。此外,PARP1乙酰化组蛋白乙酰基转移酶的p300 / CBP炎症刺激,导致一个更强大的协会和NF -κB (39]。随后表达促炎介质如伊诺导致生产高活性化学物种,反过来,导致广泛的目标细胞DNA损伤,可能支持一个正反馈机制。重要的是,在这项研究中DNA结合和PARP1是必要的酶活性的直接转录激活NF -κB (183年]。另一方面,抑制PARP的酶活性足以伊诺的表达减少,白细胞介素6和TNFα在培养细胞和小鼠减少炎症介质的表达(184年]。这是符合最近的一项研究表明NF - PARP1-dependent激活κ发生在两个水平(图4)。因此,除了核共激活剂PARP1 NF -的函数κB的活动,本研究确定了PARP1触发NF -的易位κB从细胞质进入细胞核基因毒性压力(图4)[185年]。根据这一模型,PARP1招募DNA链断裂,automodified标准。在离解成核浆,PARP1然后迅速形成一个signalosome由SUMO1连接酶PIASy、IKKγ(NEMO)和自动取款机。signalosome是稳定的网络直接蛋白质-蛋白质之间的关系以及通过PAR PIASy绑定和ATM票面图案有约束力。PAR PARG降解导致后续signalosome的不稳定,导致IKKγSUMOylation易位,细胞质中,磷酸化的我κB蛋白,NF-kB激活。这种机制直接链接的DNA-damage-signaling功能PARP1炎症相关的作用机制。有趣的是,PARP1-NF -κB信号似乎也有助于激活衰老细胞的分泌表型和维护(186年]。结果,相关的促炎因子的分泌可能改变了组织微环境和形成一个低级的慢性炎症与肿瘤和aging-promoting属性。
4.2。在细胞死亡PARP1及其作用
从历史上看,两个主要的哺乳动物细胞死亡机制是有区别的,也就是说,细胞凋亡和坏死。细胞凋亡被认为是默认的路径,细胞死亡发生在一个受控的方式导致消除细胞,巨噬细胞没有二次损伤周围的细胞。相比之下,坏死被认为是一个不受控制的过程导致破坏的细胞促进组织炎症(187年]。等两个通道之间的过渡状态存在细胞凋亡诱导因素——(AIF)依赖的细胞死亡(188年]。机体衰老的细胞死亡是一个重要的因素,因为再生细胞凋亡可能导致损耗的池和坏死可能导致慢性炎症性疾病。PARP1参与坏死和凋亡,取决于细胞DNA损伤的类型和强度。过度的DNA损伤,因为它可以由病理生理刺激和NF -κB-dependent炎症反应,导致了overactivation PARP1,导致细胞NAD的损耗+池和随后的ATP池(189年]。这可能会影响能量依赖性的细胞功能导致坏死,进而加强组织炎症导致的恶性循环PARP1激活,坏死和炎症。PARP1在细胞凋亡中的作用是多方面的取决于细胞周期状态。两个主要类型的细胞凋亡存在:caspase-dependent caspase-independent细胞凋亡。一方面,在增殖细胞中,PARP1有助于通过其监管活动P53古典caspase-dependent细胞凋亡。PAR的初始合成后,还存在PARP1裂解是3和7在24 kD和89 kD的片段190年]。这可能发生灭活PARP1和保护细胞ATP池的凋亡程序(191年- - - - - -193年]。另一方面,这是表明PARP1有助于caspase-independent通过释放AIF的线粒体(细胞凋亡194年,195年]。PAR本身作为信号分子在细胞核和线粒体之间,它如果在非共价结合的方式,然后触发上映。如果然后把原子核,引起染色质缩合,大规模的DNA碎片,最后细胞死亡(196年- - - - - -198年]。
最后,提出了三个相互关联的细胞机制负责PARP1参与细胞死亡和炎症相关,与年龄相关的疾病。首先,PARP1 overactivation由严重的DNA损伤在一个初始病理侮辱会导致河畔+和随后的ATP耗竭导致坏死细胞死亡由于能源消耗189年]。第二,这种最初的病理侮辱或继发性坏死细胞的破坏可以触发炎症反应导致周围组织的进一步损害。这个过程可以刺激的行动PARP1作为重要的转录共激活剂的促炎的转录因子NF -κNF - b产品κB调节基因,例如,进气阀打开,参与活性氧的产生和RNS,可以支持上述的恶性循环DNA损伤,随后PARP1激活,其余炎症和组织损伤和细胞死亡。第三,PAR-dependent释放(AIF)线粒体凋亡诱导因素导致caspase-independent细胞凋亡可能在某种程度上有助于PARP1-dependent病态特别是神经退行性疾病(194年,197年,198年]。随着时间的推移,这些机制可以促进衰老和与年龄相关的病理条件下的发展。
4.3。PARP1 Aging-Promoting因素
证据支持的角色PARP1炎症在机体上的驱动力是由这一事实Parp1−−/老鼠从几个保护——cell-death-associated疾病和炎症Parp1−−/小鼠和细胞显示整个光谱的促炎细胞因子的表达水平较低,粘附分子和酶(167年]。因此,鉴于炎症在哺乳动物衰老的作用,PARP1是假设作为一个aging-promoting因素(199年]。符合这个概念,PARP抑制基因转录的或消融对一些与年龄相关的疾病有益的影响,包括aging-associated心脏和血管障碍(184年,200年,201年]。除了其功能作为管理者的NF -κB-dependent基因转录,PARP1竞争的家庭类型III组蛋白去乙酰酶抑制剂的(即。在人类和小鼠SIRT1-7)同样的基质,河畔+。此外,PARP1 SIRT1的身体和交互显示敌对的相互作用在功能层面上(71年,202年]。Sirtuins蛋白调节体内平衡的能量通过控制乙酰化状态和各种酶的活性和转录监管机构已确定作为长寿的因素在不同的物种(203年]。此外,NAD的消费+链接PARP1和sirtuins蛋白能量代谢,在衰老中起着基础性作用机制。在活的有机体内研究表明,SIRT1-overexpressing老鼠是精简、新陈代谢更活跃,显示改善葡萄糖耐量,表现出更少的炎症,抗肠道癌症发展(204年- - - - - -208年]。Parp1−−/老鼠表现出增强的河畔+活动内容和增强SIRT1在褐色脂肪和肌肉组织。因此,Parp1−−/小鼠拟表型SIRT1激活的许多方面,如线粒体含量更高,增加能量消耗,降低体重,预防代谢性疾病(209年]。
相反,这种表型是镜像的表型小鼠异位表达hPARP1 [210年]。这些老鼠开发零星的肥胖和葡萄糖耐量。此外,hPARP1-expressing老鼠表现出受损的存活率,都伴随着过早开发一些炎症和与年龄有关的疾病,如肾病、皮炎,肺炎,心肌病,肝炎。支持这一假说,hPARP1老鼠正常红血球的发展,正常色素的贫血和显示循环单核细胞的比例增加,这是暗示贫血的慢性炎性疾病(211年,212年]。此外,hPARP1老鼠显示典型的过早老化的迹象,如驼背的早期发展和受损的头发再生。除了一个潜在改变PARP1与sirtuins蛋白相互作用在这些老鼠,病理表型hPARP1老鼠可能改变PARP1-NF——有关κB相互作用导致持续的低增长促炎症刺激。一致,NF -的表情κB-dependent目标基因,如肿瘤坏死因子α摘要意思,白细胞介素6、中特异表达hPARP1动物。这可能导致过早开发典型的与年龄有关的慢性疾病在这些老鼠210年]。
5。总结
老化是一个复杂的过程,不能被解释为一个单一的通路,甚至一组密切相关的通路。更有可能的是,许多不同的细胞功能将有助于老化和他们会这样做,在一个高度相互依赖的方式(53]。作为总结,这种复杂性已经表示在一个酶,即PARP1。PARP1是一个因素,连接DNA损伤反应和炎症机制,两者都是与哺乳动物衰老密切相关。因此,在生理条件下和温和的基因毒性压力、PARP1被认为发挥重要作用在基因组维护(图5)。另一方面,在病理生理条件下,反应生成的化学物种激活免疫细胞可能诱导的DNA损伤自分泌和旁分泌的方式。如果超过一个阈值,DNA损伤和随后的信号可以迫使细胞衰老。反过来,衰老细胞具有分泌促炎细胞因子的潜力从而加强组织炎症。PARP1参与这些过程由于其与NF -密切相互作用κ在不同的阶段在NF - BκB激活。此外,严重的DNA损伤会引发overactivation PARP1导致细胞死亡的凋亡或坏死(图5)。坏死细胞的残骸被巨噬细胞吞噬,从而引发炎性反应、诱导活性化学物种的生成。有趣的是,有证据表明,慢性肠道炎症可以诱发系统性基因毒性,例如,在白细胞和肝细胞,这表明本地网站的炎症会影响基因组稳定性和体内平衡即使机体水平(213年]。随着时间的推移,炎症、衰老和细胞死亡导致损耗的再生细胞池和组织障碍衰老过程的积累。
有足够的证据支持PARP1作为长寿的作用一方面保证因素,但另一方面也作为aging-promoting因素。PARP1双重角色的长寿和衰老可能反映在温和的过早衰老表型观察群Parp1−−/老鼠(158年]。因此,它是合理的假设整体衰老这些老鼠几乎保持平衡,由于由基因组完整性一方面,但另一方面减少炎症状态。的一代Parp1−−/小鼠组织的具体调整PARP1表达可能是一个合适的模型来验证这样一个假设。组织的PARP1 reexpression否则先天免疫系统的细胞Parp1−−/背景可能导致更剧烈的加速老化表型,因为PARP1-overexpressing细胞的先天免疫系统预计将展示一个增强的炎症状态,而剩余的细胞Parp1−−/组织在基因不稳定。另一种可能解释的温和的过早衰老表型Parp1−−/老鼠可能是替代机制能够弥补PARP1缺乏症。这种潜在备份机制很可能依赖PARP2 PARP1股票一些冗余,很明显的发现Parp1 / Parp2double-deficient老鼠并不可行。的生成条件和诱导double-knockout老鼠可以帮助测试这个假说。
衰老的许多理论存在。这些并不是相互排斥的,尽管这些可能是能够解释所有人类老化的特点,在所有的概率在其中的许多营地,有一些真理。衰老的“敌对pleitropy”理论假设存在的多效性的基因和机制有相反的对健康的影响在不同的年龄阶段。因此,一个基因或机制可能有利于生存在生命早期,当自然选择强,但是在后世有害,当选择薄弱或缺乏214年]。DNA损伤反应机制以及炎症可能支持这样一个理论。DNA损伤反应,最后的终点,DNA修复,衰老,细胞凋亡,在年轻的时候显然是有益的,因为这些机制预防癌症的发展。然而,在年龄较大,这可能成为有害的,因为损耗的再生细胞池由衰老或细胞凋亡可能导致组织变性和老化。同样适用于炎症。在年轻的时候,炎症反应最有可能实现有益的功能,例如,作为第一线防御感染。(注意:这是支持的发现一些缺陷在NF -小鼠模型κB信号是过敏的传染病(215年])。然而,在年龄较大,连续反复抗原刺激免疫系统造成的压力会导致免疫系统的改造与促炎属性加强老化过程和与年龄相关的疾病的发展。因为PARP1满足关键角色在DNA损伤反应和炎症机制,可想而知,这个基因功能行为在某些方面在一个敌对的多效性的方式,与青年和有害的有益功能函数在老的年龄。
总之,PARP1和合成的聚(ADP-ribose)正在成为中央因素一般细胞应激反应在大量的分子机制与功能,如染色质重塑,转录,DNA损伤信号、DNA修复、细胞周期调控、细胞死亡和炎症。了这里,有充分的证据表明PARP1满足众多直接以及间接作用机制的衰老和寿命呈现这一个有趣的因素的研究,以便更好地定义老化过程的机制。
确认
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