Связывание PARP1 с разрывами и шпильками на ДНК изменяет структуру нуклеосом

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.

1. 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.

2. Ame J.C., Spenlehauer C., de Murcia G. The PARP superfamily // BioEssays. 2004. Vol. 26. N 8. P. 882–893

3. 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.

4. 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.

5. 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.

6. Pascal J.M. The comings and goings of PARP-1 in response to DNA damage // DNA Repair (Amst.). 2018. Vol. 71. P. 177–182.

7. 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.

8. 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.

9. 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.

10. 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.

11. 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.

12. 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.

13. 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.

14. 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.

15. 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.

16. 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.

17. 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.

18. 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.

19. 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.

20. 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.