vestnik-bio-msuВестник Московского университета. Серия 16. БиологияVestnik Moskovskogo universiteta. Seriya 16. Biologiya0137-0952Lomonosov Moscow State University, School of Biologyvestnik-bio-msu-769Research ArticleОРИГИНАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕRESEARCH ARTICLEСвязывание PARP1 с разрывами и шпильками на ДНК изменяет структуру нуклеосомPARP1 binding to DNA breaks and hairpins alters nucleosome structureМалюченкоН. В.MalyuchenkoN. V.

Малюченко Наталия Валериевна – канд. биол. наук, доцент кафедры биоинженерии биологического факультета

г. Москва, Ленинские горы, д. 1, стр. 12

Bioengineering Department, Biological Faculty, 

Leninskie Gory 1–12, Moscow, 119234

mal_nat@mail.ruКотоваЕ. Ю.KotovaE. Yu.

Котова Елена Юрьевна – научный сотрудник отдела эпигенетики рака ракового центра Фокс Чейз

Cottman Avenue 333, Philadelphia, PA 19111

Cottman Avenue 333, Philadelphia, PA 19111

КирпичниковМ. П.KirpichnikovM. P.

Кирпичников Михаил Петрович – акад. РАН, проф., докт. биол. наук, зав. кафедрой биоинженерии и декан биологического факультета

г. Москва, Ленинские горы, д. 1, стр. 12; 117997, г. Москва, ул. Миклухо-Маклая, д. 16/10

Leninskie Gory 1–12, Moscow, 119234; ul. Miklukho-Maklaya 16/10, 117997, Moscow

СтудитскийВ. М.StuditskyV. M.

Студитский Василий Михайлович – докт. биол. наук, гл. науч. сотр. кафедры биоинженерии биологического факультета МГУ и отдела эпигенетики рака ракового центра Фокс Чейз

г. Москва, Ленинские горы, д. 1, стр. 12; Cottman Avenue 333, Philadelphia, PA 19111

Leninskie Gory 1–12, Moscow, 119234; Cottman Avenue 333, Philadelphia, PA 19111

ФеофановА. В.FeofanovA. V.

Феофанов Алексей Валерьевич – докт. биол. наук, проф. кафедры биоинженерии биологического факультета МГУ, руководитель лаборатории оптической микроскопии и спектроскопии биомолекул

г. Москва, Ленинские горы, д. 1, стр. 12; 117997, г. Москва, ул. Миклухо-Маклая, д. 16/10

Leninskie Gory 1–12, Moscow, 119234; ul. Miklukho-Maklaya 16/10, 117997, Moscow

Московский государственный университет имени М.В. ЛомоносоваРоссияLomonosov Moscow State UniversityRussian FederationCancer Epigenetics Team, Fox Chase Cancer CenterСоединённые Штаты АмерикиCancer Epigenetics Team, Fox Chase Cancer CenterUnited StatesМосковский государственный университет имени М.В. Ломоносова; Институт биоорганической химии имени академиков М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова РАНРоссияLomonosov Moscow State University; Shemyakin-Ovchinnikov Institute of Bioorganic Chemistry, Russian Academy of SciencesRussian FederationМосковский государственный университет имени М.В. Ломоносова; Cancer Epigenetics Team, Fox Chase Cancer CenterСоединённые Штаты АмерикиLomonosov Moscow State University; Cancer Epigenetics Team, Fox Chase Cancer CenterUnited States201921092019743200206Copyright © Малюченко Н.В., Котова Е.Ю., Кирпичников М.П., Студитский В.М., Феофанов А.В., 20192019Малюченко Н.В., Котова Е.Ю., Кирпичников М.П., Студитский В.М., Феофанов А.В.Malyuchenko N.V., Kotova E.Y., Kirpichnikov M.P., Studitsky V.M., Feofanov A.V.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://vestnik-bio-msu.elpub.ru/jour/article/view/769

Поли(АДФ-рибоза)полимераза 1 (PARP1) участвует в процессах репарации, репликации, транскрипции ДНК, регуляции клеточного цикла и апоптоза. Участие PARP1 в репарации определяется способностью фермента к взаимодействиям с различными дефектами и неканоническими структурами ДНК с последующим полиАДФ-рибозилированием белков, находящихся рядом. Ранее на примере мононуклеосом, имеющих один выступающий конец ДНК, моделирующий двуцепочечный разрыв ДНК вблизи кор-нуклеосом, нами была обнаружена способность PARP1 вызывать структурные перестройки в нуклеосомах в отсутствие НАД+. В настоящей работе мы показали, что PARP1 вызывает подобные структурные перестройки в нуклеосомах как в случае нуклеосом с концами ДНК, отстоящими от коровой области на 20 п.н., так и в случае модификации этих концов шпильками. Во всех исследованных вариантах нуклеосом PARP1 вызывает изменение укладки ДНК на октамере гистонов, сопровождающееся увеличением расстояния между соседними витками ДНК. Эти PARP1-опосредованные изменения в структуре нуклеосом предположительно способствуют деконденсации  хроматина и облегчают доступ ферментов репарации к повреждениям ДНК.

 

DP-ribose)polymerase 1 (PARP1) is involved in the processes of DNA repair, replication, transcription, cell cycle regulation and apoptosis. Participation of PARP 1 in DNA repair is determined by the ability of the enzyme to interact with various defects and non-canonical structures of DNA with consequent polyADP- ribosylation of neighboring proteins. Earlier for mononucleosomes containing  a DNA end recapitulating double-strand DNA break near the nucleosome, we found that PARP1 induces nucleosome structural changes in the absence of NAD+. In the present work we report that PARP1 induces similar structural changes in nucleosomes containing either DNA ends extending from the core by 20 b.p. or containing hairpins at the DNA ends. In all the cases PARP1 caused changes in DNA wrapping on the surface of the histone octamer that are accompanied by an increase in the distance between adjacent DNA gyres. These PARP1-mediated changes in the nucleosome structure presumably contribute to  chromatin decondensation and facilitate access of repair enzymes to damaged DNA.

поли(АДФ-рибоза)полимераза 1нуклеосомафлуоресценцияперенос энергиимикроскопияшпильки ДНКpoly(ADP-ribose)polymerase 1nucleosomefluorescenceenergy transfermicroscopyDNA hairpinsReferencesLudwig A., Behnke B., Holtlund J., Hilz H. Immunoquantitation and size determination of intrinsic poly(ADP-ribose) polymerase from acid precipitates. An analysis of the in vivo status in mammalian species and in lower eukaryotes // J. Biol. Chem. 1988. Vol. 263. N 15. P. 6993–6999.Ludwig A., Behnke B., Holtlund J., Hilz H. Immunoquantitation and size determination of intrinsic poly(ADP-ribose) polymerase from acid precipitates. An analysis of the in vivo status in mammalian species and in lower eukaryotes // J. Biol. Chem. 1988. Vol. 263. N 15. P. 6993–6999.Ame J.C., Spenlehauer C., de Murcia G. The PARP superfamily // BioEssays. 2004. Vol. 26. N 8. P. 882–893Ame J.C., Spenlehauer C., de Murcia G. The PARP superfamily // BioEssays. 2004. Vol. 26. N 8. P. 882–893Langelier M.F., Planck J.L., Roy S., Pascal Structural basis for DNA damage-dependent poly(ADP-ribosyl)ation by human PARP-1 // Science. 2012. Vol. 336. N 6082. P. 728–732.Langelier M.F., Planck J.L., Roy S., Pascal Structural basis for DNA damage-dependent poly(ADP-ribosyl)ation by human PARP-1 // Science. 2012. Vol. 336. N 6082. P. 728–732.Langelier M.F., Eisemann T., Riccio A.A., Pascal J.M. PARP family enzymes: regulation and catalysis of the poly(ADP-ribose) posttranslational modification // Curr. Opin. Struct. Biol. 2018. Vol. 53. P. 187–198.Langelier M.F., Eisemann T., Riccio A.A., Pascal J.M. PARP family enzymes: regulation and catalysis of the poly(ADP-ribose) posttranslational modification // Curr. Opin. Struct. Biol. 2018. Vol. 53. P. 187–198.Pion E., Ullmann G.M., Amé J.C., Gérard D., de Murcia G., Bombarda E. DNA-induced dimerization of poly(ADP-ribose) polymerase-1 triggers its activation // Biochemistry. 2005. Vol. 44. N 44. P. 14670–14681.Pion E., Ullmann G.M., Amé J.C., Gérard D., de Murcia G., Bombarda E. DNA-induced dimerization of poly(ADP-ribose) polymerase-1 triggers its activation // Biochemistry. 2005. Vol. 44. N 44. P. 14670–14681.Pascal J.M. The comings and goings of PARP-1 in response to DNA damage // DNA Repair (Amst.). 2018. Vol. 71. P. 177–182.Pascal J.M. The comings and goings of PARP-1 in response to DNA damage // DNA Repair (Amst.). 2018. Vol. 71. P. 177–182.Haince J.F., McDonald D., Rodrigue A., Dery U., Masson J.Y., Hendzel M.J., Poirier G.G. PARP1-dependent kinetics of recruitment of MRE11 and NBS1 proteins to multiple DNA damage sites // J. Biol. Chem. 2008. Vol. 283. N 2. P. 1197–1208.Haince J.F., McDonald D., Rodrigue A., Dery U., Masson J.Y., Hendzel M.J., Poirier G.G. PARP1-dependent kinetics of recruitment of MRE11 and NBS1 proteins to multiple DNA damage sites // J. Biol. Chem. 2008. Vol. 283. N 2. P. 1197–1208.Liu C., Vyas A., Kassab M.A., Singh A.K., Yu X. The role of poly ADP-ribosylation in the first wave of DNA damage response // Nucleic Acids Res. 2017. Vol. 45. N 14. P. 8129–8141.Liu C., Vyas A., Kassab M.A., Singh A.K., Yu X. The role of poly ADP-ribosylation in the first wave of DNA damage response // Nucleic Acids Res. 2017. Vol. 45. N 14. P. 8129–8141.Sultanov D.C., Gerasimova N.S., Kudryashova K.S., Maluchenko N.V., Kotova E.Y., Langelier M.F., Pascal J.M., Kirpichnikov M.P., Feofanov A.V., Studitsky V.M. Unfolding of core nucleosomes by PARP-1 revealed by spFRET microscopy // AIMS Genet. 2017. Vol. 4. N 1. P. 21–31.Sultanov D.C., Gerasimova N.S., Kudryashova K.S., Maluchenko N.V., Kotova E.Y., Langelier M.F., Pascal J.M., Kirpichnikov M.P., Feofanov A.V., Studitsky V.M. Unfolding of core nucleosomes by PARP-1 revealed by spFRET microscopy // AIMS Genet. 2017. Vol. 4. N 1. P. 21–31.Liu Z., Kraus K.W. Catalytic-independent functions of PARP-1 determine Sox2 pioneer activity at intractable genomic loci // Mol Cell. 2017. Vol. 65. N 4. P. 589–603.Liu Z., Kraus K.W. Catalytic-independent functions of PARP-1 determine Sox2 pioneer activity at intractable genomic loci // Mol Cell. 2017. Vol. 65. N 4. P. 589–603.Valieva M.E., Armeev G.A., Kudryashova K.S., Gerasimova N.S., Shaytan A.K., Kulaeva O.I., McCullough L.L., Formosa T., Georgiev P.G., Kirpichnikov M.P., Studitsky V.M., Feofanov A.V. Large-scale ATP-independent nucleosome unfolding by a histone chaperone // Nat. Struct. Mol. Biol. 2016. Vol. 23. N 12. P. 1111–1116.Valieva M.E., Armeev G.A., Kudryashova K.S., Gerasimova N.S., Shaytan A.K., Kulaeva O.I., McCullough L.L., Formosa T., Georgiev P.G., Kirpichnikov M.P., Studitsky V.M., Feofanov A.V. Large-scale ATP-independent nucleosome unfolding by a histone chaperone // Nat. Struct. Mol. Biol. 2016. Vol. 23. N 12. P. 1111–1116.Valieva M.E., Gerasimova N.S., Kudryashova K.S., Kozlova, A.L., Kirpichnikov M.P., Hu Q., Botuyan M.V., Mer G., Feofanov A.V., Studitsky V.M. Stabilization of nucleosomes by histone tails and by FACT revealed by spFRET microscopy // Cancers. 2017. Vol. 9. N 1: 3.Valieva M.E., Gerasimova N.S., Kudryashova K.S., Kozlova, A.L., Kirpichnikov M.P., Hu Q., Botuyan M.V., Mer G., Feofanov A.V., Studitsky V.M. Stabilization of nucleosomes by histone tails and by FACT revealed by spFRET microscopy // Cancers. 2017. Vol. 9. N 1: 3.Gaykalova D.A., Kulaeva O.I., Bondarenko V.A., Studitsky V.M. Preparation and analysis of uniquely positioned mononucleosomes // Chromatin Protocols, vol. 523. Methods Mol. Biol. / Eds. S. Chellappan. N.Y.: Humana Press, 2009. P. 109–123.Gaykalova D.A., Kulaeva O.I., Bondarenko V.A., Studitsky V.M. Preparation and analysis of uniquely positioned mononucleosomes // Chromatin Protocols, vol. 523. Methods Mol. Biol. / Eds. S. Chellappan. N.Y.: Humana Press, 2009. P. 109–123.Langelier M.F., Steffen J., Riccio A.A., McCauley M., Pascal J.M. Purification of DNA damage-dependent PARPs from E. coli for structural and biochemical analysis // Poly(ADP- ribose) polymerase, vol. 1608. Methods Mol. Biol. / Eds. A. Tulin. N.Y.: Humana Press, 2017. P. 431– 444.Langelier M.F., Steffen J., Riccio A.A., McCauley M., Pascal J.M. Purification of DNA damage-dependent PARPs from E. coli for structural and biochemical analysis // Poly(ADP- ribose) polymerase, vol. 1608. Methods Mol. Biol. / Eds. A. Tulin. N.Y.: Humana Press, 2017. P. 431– 444.Kudryashova K.S., Nikitin D.V., Chertkov O.V., Gerasimova N.S., Valeva M.E., Studitsky V.M., Feofanov A.V. Development of fluorescently labeled mononucleosomes for the investigation of transcription mechanisms by single complex microscopy // Moscow Univ. Biol. Sci. Bull. 2015. Vol. 70. N 4. P. 189–193.Kudryashova K.S., Nikitin D.V., Chertkov O.V., Gerasimova N.S., Valeva M.E., Studitsky V.M., Feofanov A.V. Development of fluorescently labeled mononucleosomes for the investigation of transcription mechanisms by single complex microscopy // Moscow Univ. Biol. Sci. Bull. 2015. Vol. 70. N 4. P. 189–193.Kudryashova K.S., Chertkov O.V., Nikitin D.V., Pestov N.A., Kulaeva O.I., Efremenko A.V., Solonin A.S., Kirpichnikov M.P., Studitsky V.M., Feofanov A.V. Preparation of mononucleosomal templates for analysis of transcription with RNA polymerase using spFRET // Chromatin Protocols, vol 1288. Methods Mol. Biol. / Eds. S. Chellappan. N.Y.: Humana Press, 2015. P. 395–412.Kudryashova K.S., Chertkov O.V., Nikitin D.V., Pestov N.A., Kulaeva O.I., Efremenko A.V., Solonin A.S., Kirpichnikov M.P., Studitsky V.M., Feofanov A.V. Preparation of mononucleosomal templates for analysis of transcription with RNA polymerase using spFRET // Chromatin Protocols, vol 1288. Methods Mol. Biol. / Eds. S. Chellappan. N.Y.: Humana Press, 2015. P. 395–412.Polach K.J., Widom J. Mechanism of protein access to specific DNA sequences in chromatin: a dynamic equilibrium model for gene regulation // J. Mol. Biol. 1995. Vol. 254. N 2. P. 130–149.Polach K.J., Widom J. Mechanism of protein access to specific DNA sequences in chromatin: a dynamic equilibrium model for gene regulation // J. Mol. Biol. 1995. Vol. 254. N 2. P. 130–149.Clark N.J., Kramer M., Muthurajan U.M., Luger K. Alternative modes of binding of poly(ADP-ribose) polymerase 1 to free DNA and nucleosomes // J. Biol. Chem. 2012. Vol. 287. N 39. P. 32430–32439.Clark N.J., Kramer M., Muthurajan U.M., Luger K. Alternative modes of binding of poly(ADP-ribose) polymerase 1 to free DNA and nucleosomes // J. Biol. Chem. 2012. Vol. 287. N 39. P. 32430–32439.Potaman V.N., Shlyakhtenko L.S., Oussatcheva E.A., Lyubchenko Y.L., Soldatenkov V.A. Specific binding of poly(ADP-ribose) polymerase-1 to cruciform hairpins // J. Mol. Biol. 2005. Vol. 348. N 3. P. 609–661.Potaman V.N., Shlyakhtenko L.S., Oussatcheva E.A., Lyubchenko Y.L., Soldatenkov V.A. Specific binding of poly(ADP-ribose) polymerase-1 to cruciform hairpins // J. Mol. Biol. 2005. Vol. 348. N 3. P. 609–661.Muthurajan U.M., Hepler M.R., Hieb A.R., Clark N.J., Kramer M., Yao T., Luger K. Automodification switches PARP-1 function from chromatin architectural protein to histone chaperone // Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2014. Vol. 111. N 35. P. 12752–12757.Muthurajan U.M., Hepler M.R., Hieb A.R., Clark N.J., Kramer M., Yao T., Luger K. Automodification switches PARP-1 function from chromatin architectural protein to histone chaperone // Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2014. Vol. 111. N 35. P. 12752–12757.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.