Партанатос (происходит от греч. Θάνατος, « смерть ») — это форма запрограммированной гибели клеток , которая отличается от других процессов гибели клеток, таких как некроз и апоптоз . В то время как некроз вызывается острым повреждением клеток, приводящим к травматической гибели клеток, а апоптоз — это строго контролируемый процесс, сигнализируемый апоптотическими внутриклеточными сигналами , партанатос вызывается накоплением поли (АДФ рибозы) (PAR) и ядерной транслокацией фактора, индуцирующего апоптоз (AIF) из митохондрий . [1] Партанатос также известен как PARP-1- зависимая гибель клеток. PARP-1 опосредует партанатос, когда он чрезмерно активируется в ответ на экстремальный геномный стресс и синтезирует PAR, который вызывает ядерную транслокацию AIF. [2] Партанатос участвует в заболеваниях, от которых страдают сотни миллионов людей во всем мире. Известные заболевания, связанные с партанатосом, включают болезнь Паркинсона , инсульт , сердечный приступ и диабет . [ необходима ссылка ] Он также имеет потенциальное применение в качестве средства для облегчения течения болезни и различных медицинских состояний, таких как диабет и ожирение . [ необходима ссылка ]
Термин «партанатос» не был придуман до обзора 2009 года. [1] Слово «партанатос» происходит от слова «Танатос» , олицетворения смерти в греческой мифологии.
Партанатос был впервые обнаружен в статье 2006 года Ю и соавторами, изучавшими повышенную выработку митохондриальных активных форм кислорода (ROS) при гипергликемии . [3] Это явление связано с негативными эффектами, возникающими из-за клинических осложнений диабета и ожирения .
Исследователи заметили, что высокие концентрации глюкозы приводят к перепроизводству активных форм кислорода и быстрой фрагментации митохондрий . Ингибирование захвата митохондриального пирувата блокировало увеличение ROS, но не предотвращало фрагментацию митохондрий. После инкубации клеток с неметаболизируемым стереоизомером L-глюкозы не наблюдалось ни увеличения активных форм кислорода, ни фрагментации митохондрий. В конечном итоге исследователи обнаружили, что фрагментация митохондрий, опосредованная процессом деления, является необходимым компонентом для высокого глюкозоиндуцированного увеличения дыхания и перепроизводства ROS. [ необходима цитата ]
Длительное воздействие условий с высоким содержанием глюкозы похоже на нелеченные диабетические состояния, и поэтому эффекты отражают друг друга. В этом состоянии воздействие создает периодическое и продолжительное увеличение продукции ROS вместе с изменением митохондриальной морфологии. Если деление митохондрий было подавлено, то периодические колебания продукции ROS в среде с высоким содержанием глюкозы были предотвращены. Это исследование показывает, что когда повреждение клеток ROS слишком велико, PARP-1 инициирует гибель клеток. [ необходима цитата ]
Поли(АДФ-рибоза)полимераза-1 ( PARP-1 ) — это ядерный фермент, который повсеместно встречается у всех эукариот и кодируется геном PARP-1. Он принадлежит к семейству PARP, которое представляет собой группу катализаторов, которые переносят единицы АДФ-рибозы из НАД (никотинамиддинуклеотида) в белковые мишени, создавая таким образом разветвленные или линейные полимеры. [4] Основные домены PARP-1 обеспечивают способность выполнять его функции. Эти белковые секции включают ДНК-связывающий домен на N-конце (позволяет PARP-1 обнаруживать разрывы ДНК), домен автомодификации (имеет мотив BRCA1 C-конца, который является ключевым для белок-белковых взаимодействий) и каталитический сайт с НАД+-складкой (характерный для моно-АДФ-рибозилирующих токсинов). [1]
Обычно PARP-1 участвует в различных функциях, которые важны для гомеостаза клеток, таких как митоз. Другая из этих ролей — репарация ДНК , включая репарацию повреждений оснований и одноцепочечных разрывов. [5] PARP-1 взаимодействует с широким спектром субстратов, включая гистоны , ДНК-хеликазы , белки группы высокой подвижности, топоизомеразы I и II, факторы репарации одноцепочечных разрывов, факторы репарации с вырезанием оснований и несколько факторов транскрипции . [1]
PARP-1 выполняет многие из своих функций посредством регулирования поли(АДФ-рибозы) (PAR). PAR — это полимер , который варьируется по длине и может быть как линейным, так и разветвленным. [6] Он отрицательно заряжен, что позволяет ему изменять функцию белков, с которыми он связывается как ковалентно , так и нековалентно. [1] Сродство связывания PAR сильнее всего для разветвленных полимеров, слабее для длинных линейных полимеров и слабее всего для коротких линейных полимеров. [7] PAR также избирательно связывается с различными гистонами с разной силой. [7] Предполагается, что PARP-1 модулирует процессы (такие как репарация ДНК , транскрипция ДНК и митоз ) посредством связывания PAR с его целевыми белками.
Путь партанатоса активируется повреждением ДНК , вызванным генотоксическим стрессом или эксайтотоксичностью . [8] Это повреждение распознается ферментом PARP-1, который вызывает повышение регуляции PAR. PAR вызывает транслокацию фактора, индуцирующего апоптоз (AIF), из митохондрий в ядро , где он вызывает фрагментацию ДНК и, в конечном итоге, гибель клетки . [9] Этот общий путь был описан почти десять лет назад. Несмотря на значительный успех в понимании молекулярных событий в партанатосе, все еще продолжаются попытки полностью идентифицировать всех основных участников пути, а также то, как пространственные и временные отношения между медиаторами влияют на них.
Было показано, что экстремальные повреждения ДНК, вызывающие разрывы и изменения в структуре хроматина, вызывают путь партанатос. [8] Стимулы, вызывающие повреждение ДНК, могут исходить из различных источников. Метилнитронитрозогуанидин , алкилирующий агент , широко использовался в нескольких исследованиях для индукции пути партанатос. [10] [11] [12] Известное количество других стимулов или токсических условий также использовалось для повреждения ДНК, таких как генерация H2O2 , NO и ONOO− ( дефицит кислорода и глюкозы ) . [ 10 ] [13] [14]
Величина, продолжительность воздействия, тип используемых клеток и чистота культуры — все это факторы, которые могут влиять на активацию пути. [15] Повреждение должно быть достаточно сильным, чтобы структура хроматина изменилась. Это изменение структуры распознается доменом N-концевого цинкового пальца на белке PARP-1. [16] Белок может распознавать как одноцепочечные, так и двухцепочечные разрывы ДНК.
Как только белок PARP-1 распознает повреждение ДНК, он катализирует посттранскрипционную модификацию PAR. [9] PAR будет сформирован либо как разветвленная, либо как линейная молекула. Разветвленные и длинноцепочечные полимеры будут более токсичны для клетки, чем простые короткие полимеры. [17] Чем сильнее повреждение ДНК, тем больше PAR накапливается в ядре. Как только накопится достаточно PAR, он будет транслоцироваться из ядра в цитозоль . Одно исследование предположило, что PAR может транслоцироваться как свободный полимер, [17] однако транслокация конъюгированного с белком PAR не может быть исключена и фактически является темой активных исследований. [8] PAR перемещается через цитозоль и попадает в митохондрии через деполяризацию. [9] Внутри митохондрий PAR связывается напрямую с AIF , который имеет сайт связывания полимера PAR, заставляя AIF диссоциировать от митохондрий. [18] Затем AIF перемещается в ядро, где он вызывает конденсацию хроматина и крупномасштабную (50 Кб) фрагментацию ДНК. [9] Как AIF вызывает эти эффекты, пока неизвестно. Считается, что может присутствовать связанная с AIF нуклеаза (PAAN), которая в настоящее время не идентифицирована. [8] У человеческого AIF есть сайт связывания ДНК [10] , который указывает на то, что AIF связывается непосредственно с ДНК в ядре, напрямую вызывая изменения. Однако, поскольку у мышиного AIF нет этого домена связывания, и он все еще способен подвергаться партанатосу, [19] очевидно, что должен быть задействован другой механизм.
PAR, который отвечает за активацию AIF, регулируется в клетке ферментом поли (АДФ-рибоза) гликогидролазой ( PARG ). После того, как PAR синтезируется PARP-1, он деградирует в процессе, катализируемом PARG. [20] Было обнаружено, что PARG защищает от гибели клеток, опосредованной PAR [9], в то время как его удаление увеличивает токсичность за счет накопления PAR. [9]
До открытия путей PAR и AIF считалось, что чрезмерная активация PARP-1 приводит к чрезмерному потреблению NAD+ . [21] В результате истощения NAD+ произойдет снижение продукции АТФ, и в результате потеря энергии убьет клетку. [22] [23] Однако теперь известно, что эта потеря энергии недостаточна для того, чтобы объяснить гибель клетки. В клетках, лишенных PARG , активация PARP-1 приводит к гибели клетки при наличии достаточного количества NAD+. [24]
Партанатос определяется как уникальный путь гибели клеток от апоптоза по нескольким ключевым причинам. В первую очередь, апоптоз зависит от пути каспазы, активируемого высвобождением цитохрома c , в то время как путь партанатоса способен действовать независимо от каспазы. [8] Кроме того, в отличие от апоптоза, партанатос вызывает крупномасштабную фрагментацию ДНК (апоптоз производит только мелкомасштабную фрагментацию) и не образует апоптотические тельца . [25]
Хотя партанатос имеет сходство с некрозом , у него также есть несколько отличий. Некроз не является регулируемым путем и не подвергается какой-либо контролируемой фрагментации ядра. Хотя партанатос действительно включает потерю целостности клеточной мембраны, как некроз , он не сопровождается отеком клеток. [26]
Парфанатос | Апоптоз | Некроз | |
---|---|---|---|
Конденсация хроматина | Да | Да | Нет |
Ядерная фрагментация | Да | Да | Нет |
Апоптотические тельца | Нет | Да | Нет |
Митохондриальный отек | Нет | Иногда | Да |
Мембранный блеббинг | Нет | Да | Да, поздно. |
Зависимый от каспазы | Нет | Да | Иногда |
Регулируемый путь | Да | Да | Нет |
Фермент PAR был первоначально связан с путями нейронной деградации в 1993 году. Было показано, что повышенные уровни оксида азота (NO) вызывают нейротоксичность в образцах нейронов гиппокампа крыс . [27] Более глубокий анализ эффектов NO на нейроны показал, что оксиды азота вызывают повреждение цепей ДНК; повреждение, в свою очередь, вызывает активность фермента PAR, которая приводит к дальнейшей деградации и гибели нейронов. Блокаторы PAR останавливали механизмы гибели клеток в присутствии повышенных уровней NO. [27]
Активность PARP также была связана с нейродегенеративными свойствами паркинсонизма , вызванного токсином . 1-Метил-4-фенил-1,2,3,6-тетрагидропиридин ( MPTP ) — нейротоксин , который был связан с нейродегенерацией и развитием симптомов, подобных болезни Паркинсона, у пациентов с 1983 года. Эффекты токсина MPTP были обнаружены, когда четыре человека внутривенно вводили себе токсин , который они непреднамеренно выработали при попытке синтезировать на улице препарат мерпиридин ( MPPP ). [28] Связь между MPTP и PARP была обнаружена позже, когда исследования показали, что эффекты MPTP на нейроны были снижены в мутировавших клетках, лишенных гена PARP. [29] Это же исследование также показало значительное увеличение активации PARP в клетках, продуцирующих дофамин , в присутствии MPTP.
Альфа-синуклеин — это белок, который связывается с ДНК и модулирует репарацию ДНК . [30] Ключевой особенностью болезни Паркинсона является патологическое накопление и агрегация альфа-синуклеина. В нейронах людей с болезнью Паркинсона альфа-синуклеин откладывается в виде фибрилл во внутрицитоплазматических структурах, называемых тельцами Леви . Образование патологического альфа-синуклеина связано с активацией PARP1 , увеличением образования поли(АДФ)рибозы и дальнейшим ускорением образования патологического альфа-синуклеина. [31] Этот процесс может привести к гибели клеток из-за партанатоза. [31]
Партанатос, как путь гибели клеток, все чаще связывают с несколькими синдромами , связанными с определенным повреждением тканей за пределами нервной системы . Это подчеркивается в механизме диабета, вызванного стрептозотоцином (СТЗ) . СТЗ — это химическое вещество, которое естественным образом вырабатывается организмом человека. Однако в высоких дозах СТЗ, как было показано, вызывает симптомы диабета, повреждая β-клетки поджелудочной железы , которые вырабатывают инсулин. [32] Деградация β-клеток СТЗ была связана с PARP в 1980 году, когда исследования показали, что ингибитор синтеза PAR снижает влияние СТЗ на синтез инсулина. Ингибирование PARP заставляет ткань поджелудочной железы поддерживать уровни синтеза инсулина и снижать деградацию β-клеток даже при повышенных уровнях токсина СТЗ. [33]
Активация PARP также предварительно связана с артритом , [34] колитом , [35] и токсичностью для печени . [36]
Многоступенчатая природа пути партанатоса позволяет химически манипулировать его активацией и ингибированием для использования в терапии. Эта быстро развивающаяся область, по-видимому, в настоящее время сосредоточена на использовании блокаторов PARP в качестве лечения хронических дегенеративных заболеваний. Это привело к появлению ингибиторов 3-го поколения, таких как мидазохинолинон и изохинолиндион, которые в настоящее время проходят клинические испытания. [8]
Другим путем лечения является задействование пути партанатоса для индукции апоптоза в раковых клетках, однако ни один из методов лечения не прошел теоретическую стадию. [8]