蛋白質的ADP-ribosylation在微生物學有兩個著名的例子霍亂毒素及白喉毒素

霍亂毒素(Cholera toxin)的致病機轉如下圖

Cholera toxin  
Cholera toxin(CT)
進入內質網(ER)釋出CTA1CTA1會催化Trimeric G proteinGsa-ADP-ribosylation使得Gsa變成always-on的狀態活化Adenylate cyclase於是cAMP增加刺激PKA(Protein kinase A)氯離子大量經CFTR管道流失也把大量水分帶進腸道

Gsa的ADP-ribosylation 如下圖在第201個胺基酸Arginine被ADP-ribosylation
ADPribosylation  


白喉毒素(Diphtheria toxin)的致病機轉如下圖
Diphtheria toxin  
如上圖所述Diphtheria toxinPeptide A會催化Ribosome EF2-ADP-ribosylation,讓EF2失去功能,導致蛋白質合成中止。EF2是Elongation factor-2
Diphtheria toxin ADP ribosylation2    
DPH1-7是細胞內負責把EF2變成EF2-diphthamide的七個蛋白Diphtheria toxin對EF2的ADP-ribosylation作用在最後一步

霍亂毒素及白喉毒素的致病機轉在版主1984年修生化時就已寫進教科書,當時Protein ADP-ribosylation是個冷門的議題,其後百日咳毒素(Pertussis toxin)也被發現將Macrophage/Neutrophil的Gia ADP ribosylation,導致GiPCR失去抑制Adenylate cyclase的作用~cAMP因而增加,但細菌入侵時,要有此抑制作用,讓cAMP降低Macrophage/Neutrophil 才會活化
Pertussion toxin Macrophage   
百日咳桿菌(Bordetella pertussis)有兩種毒素其一是Pertussis toxin(PT)造成Gia ADP ribosylation另一是Adenylase cyclase toxin(ACT)PT與ACT一起讓Macrophage/Neutrophil細胞內的cAMP增加Macrophage/Neutrophil的免疫活性因而降低
 
2000年之後Protein ADP-ribosylation引起生物醫學的注意DNAStrand break"PARP1(Poly-ADP-ribose polymerase1)" 蛋白本身會自己進行Poly-ADP-ribosylation(PAR)然後與DNA strand break結合吸引各種DNA修復的蛋白至Strand break的部位

PARP1-2017-2    
DNA有Strand break時,PARP1會活化,將自己加上Poly(ADP-ribose),也把Histone蛋白加上Poly(ADP-ribose)


PARP1-2017  
https://www.nature.com/articles/nrm.2017.53
(a)
顯示PARP1的各個Domains
DNA-binding domain
它有三個與DNA結合的Zinc fingers (ZF)不只參與DNA修復也能調控免疫反應NLSNuclear localization sequence的縮寫引導PARP1進入細胞核。
Automodification domain
PARP1自己進行Poly-ADP-ribosylation的部位(主要是Glutamate與Lysine)此Domain其內的BRCT是與   "BRCA1 C-terminal" 胺基酸組成相似(Homology)的區段許多涉及DNA修復的蛋白都有BRCT domain
Catalytic domain
PARP1酶的活性部位其中WGR Tyrptophen(W), Glycine(G), Arginine (R)三種胺基酸特多(Rich)的區段WGRPARP1酶的活性有促進作用
(b) 顯示PARP1的auto-Poly-ADP-ribosylation,這是個可逆的步驟ADP-ribose可被PARG (poly(ADP-ribose) glycohydrolase), ARH3(ADP-ribosylhydrolase 3), OARD1(O-acyl-ADP-ribose deacylase 1)等Enzyme除掉

(c)
PARP1不僅可auto-Poly-ADP-ribosylation還能將參與DNA修復的蛋白加上多個ADP-riboseDNA修復扮演多重角色這些角色十年來不斷有變化這篇Nature review列文章是最新的觀念。十年前比較強調PARP1Alternative NHEJDNA single strand break的修復現在的觀念則是PARP1對所有DNA strand break的修復都很重要。

2014
12月美國FDA核准一種新的標靶治療新藥   PARP inhibitor~Olaparib另一個是Niraparib今年三月也被FDA核准上市Cisplatin是抗癌老藥其藥理作用很簡單就是引發DNA strand break但用久了癌細胞會產生抗藥性機轉是癌細胞可強化DNA的修復Cisplatin存在下繼續分裂生長如上所述PARP1DNA出現Strand break時的SensorPARP inhibitor可除掉Cisplatin引發DNA strand breakPARP1Sensor功能癌細胞因無法修復DNA而走向死亡BRCA1BRAC2有突變的癌細胞無法進行Homologous recombination必須靠Non-homologous end joiningStrand break接合PARP1的依賴更重因此PARP inhibitor + CisplatinBRCA1BRAC2有突變的癌細胞效果特別好

Homologous recombination(HR)
是個十分老舊的觀念,三十年前寫在生化教科書上沒人理會它BRCA1BRCA2的發現,賦予HR新的生命BRCA1BRCA2有突變的人,因喪失HR,細胞容易發生突變而致癌。HR發生於G2 phase說明有分裂能力的細胞靠HR的精確性來避免Strand break引發的突變其修復Strand break的精確性非NHEJ能取代


醫學進步一日千里早已不似傳統醫學那樣一二十年之內沒多大變化,讀讀共筆就能得到正確的知識及觀念。現在從生化開始,免疫生理藥理病理,甚至微生物全都離不開生化及分生由於變化太快許多老師其實也似懂非懂,臨床醫師更是如此。醫學生應該訓練自己擁有讀原文書的能力,才能得到正確的知識及觀念,老師教的東西真的只能當參考,臨床老醫師遇到複雜的分生觀念還可能索性含糊帶過上課時你只顧打瞌睡被老師呼巄了都不曉得課後還拿起共筆死啃許多醫學生在高中時期都很Smart,不知為何讀了醫學系怎麼就變笨了?


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