En ny studie ledd av University of Pittsburgh och UPMC Hillman Cancer Center forskare visar att ett enzym som kallas PARP1 är involverat i reparation av telomerer, längderna av DNA som skyddar spetsarna på kromosomerna, och att försämring av denna process kan leda till telomerförkortning och genomisk instabilitet som kan orsaka cancer.
PARP1:s uppgift är genomövervakning:När den känner av brott eller skador i DNA, lägger den till en molekyl som kallas ADP-ribos till specifika proteiner, som fungerar som en ledstjärna för att rekrytera andra proteiner som reparerar brottet. De nya rönen, publicerade i Nature Structural &Molecular Biology , är det första beviset på att PARP1 också verkar på telomert DNA, vilket öppnar nya vägar för att förstå och förbättra PARP1-hämmande cancerterapier.
"Ingen trodde att ADP-ribosylering vid DNA var möjlig, men de senaste fynden utmanar denna dogm", säger Roderick O'Sullivan, Ph.D., docent i molekylär farmakologi Pitt och utredare vid UPMC Hillman. "PARP1 är ett av de viktigaste biomedicinska målen för cancerforskning, men man trodde att läkemedel som riktade sig mot detta enzym bara verkade på proteiner. Nu när vi vet att PARP1 också modifierar DNA förändrar det spelet eftersom vi potentiellt kan rikta in oss på denna aspekt av PARP1 biologi för att förbättra cancerbehandlingar."
I normala celler uppstår genomiska lesioner naturligt under DNA-replikation när en cell delar sig, och PARP1 spelar en viktig roll för att fixa dessa fel. Men medan friska celler har andra DNA-reparationsvägar att falla tillbaka på, förlitar sig BRCA-bristcancer - som inkluderar många bröst- och äggstockstumörer - mycket på PARP1 eftersom de saknar BRCA-proteiner, som kontrollerar den mest effektiva formen av DNA-reparation som kallas homolog replikation.
"När cancerceller inte kan göra BRCA-proteiner blir de beroende av reparationsvägar som PARP1 är involverad i", säger O'Sullivan. "Så, när du hämmar PARP1 - som är mekanismen för flera godkända cancerläkemedel - har cancerceller ingen reparationsväg tillgänglig, och de dör."
Även om forskare upptäckte PARP1:s roll i ADP-ribosylering av proteiner för cirka 60 år sedan, O'Sullivan och hans medarbetare, Ivan Ahel, Ph.D., professor vid Sir William Dunn School of Pathology vid University of Oxford och expert på PARP1, hade en aning om att det fanns mer att lära om detta enzym och dess roll i celler.
O'Sullivan och hans team, ledda av Anne Wondisford, Ph.D., doktorand i Pitts Medical-Scientist Training Program, jämförde först normala mänskliga celler med de som saknade PARP1. Genom att använda speciella antikroppar som binder till ADP-ribos och telomerspecifika prober fann de att ADP-ribos fäster till telomert DNA i normala celler men inte i PARP1-bristceller, vilket visar att detta enzym är ansvarigt för ADP-ribosylering av DNA.
Därefter jämförde de normala celler med de som saknar ett annat enzym som kallas TARG1, som tar bort ADP-ribos. I frånvaro av TARG1 ackumulerades ADP-ribos vid telomerer, vilket ledde till avbrott i telomerreplikationen och för tidig telomerförkortning.
För att visa att dessa telomerdefekter berodde på modifiering av telomert DNA tog O'Sullivan och hans team bakteriella enzymer som fungerar på samma sätt som PARP1 och placerade dem i mänskliga celler.
"Vi använde ett vägledningssystem för att styra enzymerna att lägga till ADP-ribos endast vid telomererna och ingen annanstans i genomet", säger O'Sullivan. "Vi fann att om vi laddar telomerer med ADP-ribos, försämras deras integritet dramatiskt, och det kan döda cellen inom några dagar."
O'Sullivan antar att ADP-ribos påverkar telomerintegriteten genom att störa en skyddande struktur som kallas shelterin som skyddar telomererna, men mer forskning behövs för att bekräfta detta.
"Inriktning på PARP1 har varit en stor framgångssaga för cancerterapi, men vissa patienter utvecklar resistens mot PARP1-hämmare", säger O'Sullivan. "Jag är entusiastisk över den här studien eftersom vi har upptäckt något nytt om PARP1-biologi, som genererar en hel mängd nya frågor som kan hjälpa oss att utveckla nya metoder för att rikta PARP1 eller finjustera terapier som vi redan har. Vi har rätt. i början av något spännande, och det finns mycket mer att utforska."
Andra författare på studien var Sandra Schamus-Haynes, Ragini Bhargava Ph.D. och Patricia Opresko, Ph.D., alla från Pitt och UPMC; Junyeop Lee och Jaewon Min, Ph.D., båda vid Columbia University; Robert Lu, Ph.D., och Hilda Pickett, Ph.D., båda vid University of Sydney; och Marion Schuller, D.Phil., och Josephine Groslambert, båda vid University of Oxford.
Mer information: Avreglerad DNA ADP-ribosylering försämrar telomerreplikation, Naturstruktur och molekylärbiologi (2024). DOI:10.1038/s41594-024-01279-6
Journalinformation: Naturstruktur och molekylärbiologi
Tillhandahålls av University of Pittsburgh
