引言
聚ADP-ribose聚合酶 (Poly ADP-ribose polymerase) PARP1和PARP2催化的ADP-ribose 聚合作用（PARylation）參與多種的生理過程，尤其是在DNA損傷修複的過程中有重要的作用。由PARP1/2介導的以及BRCT1/2介導的兩種不同的DNA損傷修複存在有協同作用，共同保證了組織細胞基因組的完整性。基于合成緻死的概念，臨床中PARP抑制劑被廣泛應用了靶向治療BRCA1/2突變的癌症，其能夠在特異性殺死BRCA1/2突變的癌細胞的同時不對正常細胞産生影響。目前，FDA已經準許了四種PARP抑制劑用于治療BRCA1/2突變的癌症。雖然它們在治療中顯示出巨大潛力，但最近由于無法解釋的嚴重血液學副作用，包括貧血和藥物相關的白血病，限制了其使用。在2022年，其中兩種PARP抑制劑就因位會導緻嚴重貧血和增加治療相關髓性白血病的風險而被FDA撤回用于維持治療的準許。
目前用于臨床的四種PARP抑制劑均為PARP1和PARP2的雙重抑制劑。他們不僅能夠同時抑制PARP1 和PARP2 的酶活性，同時還能夠将PARP1 和PARP2滞留在DNA損傷位點上。大量的研究表明，PARP1的滞留對于PARP 抑制劑的癌症治療效果是至關重要的。敲除PAPR1會極大的降低癌症細胞對PARP抑制劑的敏感性。然而，敲除PARP2卻沒有任何的影響。對于PARP2失活所帶來的的生理學的後果仍然缺少有效的研究。
2024年10月8日，來自美國的哥倫比亞大學查珊團隊在Molecular Cell期刊上發表了題為Inactive Parp2 causes Tp53-dependent lethal anemia by blocking replication-associated nick ligation in erythroblasts的研究論文，文章表明失去活性的PARP2可能是引起PARP抑制劑相關血液學副作用的因子。
為了研究PAPR2失活所帶來的生理學影響，研究人員通過同源重組的辦法在小鼠染色體PARP2的基因原位引入了活性缺失的突變（PARP2-E534A）。E534A失活不僅能夠有效的抑制Parp2活性，還能夠将Parp2滞留在DNA損傷位點上。很好的模拟了PARP抑制劑作用下的Parp2。研究結果發現Parp2失活會導緻小鼠胚胎緻死。進一步分析胚胎發育，發現Parp2EA/EA的胚胎能夠正常發育到E13.5左右時期。但是，這個時期的胚胎呈現出明顯的紅細胞生成障礙——與野生型的胚胎比較，Parp2EA/EA的胚胎缺乏血色以及更小更慘白胎肝（胚胎時期紅細胞生成的器官）。作為比較，Parp2完全缺失的小鼠（Parp2-/-）能夠正常的出生，且E13.5的胚胎沒有明顯的紅細胞發生缺陷。表明失活的PARP2，而非其缺失，是導緻小鼠出現緻命性貧血的關鍵因素。
研究還顯示，失活的PARP2幹擾DNA複制，引發基因組不穩定，并通過Tp53和Chk2依賴的通路導緻細胞周期停滞和細胞凋亡。敲除Tp53或Chk2可逆轉這些表型并挽救胚胎。
有趣的是，該團隊此前于2023年7月在《PNAS》上發表的研究指出，失活的PARP1也會導緻小鼠胚胎死亡。但是其胚胎在E9.5之前就完全消失了，遠早于胚胎紅細胞生成的時間（E11.5）。表明失活的PARP2特異性阻礙紅細胞的發生。這與PARP1和PARP2不同的DNA底物結合活性有關：PARP1能夠通過其N端的3個鋅指結構和WGR結構域結合到多種的DNA結構，包括單鍊DNA斷裂（SSB），雙鍊DNA 斷裂（DSB）等；但是，PARP2的N端僅僅含有一個DNA結合結構域——WGR結構域。PARP2隻能夠結合并被5'-磷酸化DNA裂口（5’p-Nick）激活。在正常複制的細胞中，DNA滞後鍊的Okazaki片段成熟過程中會産生的大量的5’p-Nick需要通過DNA連接配接酶LIG1連接配接成完整的DNA。體外的5’p-Nick DNA連接配接實驗表明，活性缺失的PARP2會抑制LIG1介導的連接配接作用。體内超分辨率熒光成像也表明失活的PARP2會阻礙LIG1結合到正在複制的DNA上。有意思的是，LIG1缺失的小鼠也呈現出相似胚胎緻死性貧血表型，但其表型稍弱于Parp2EA/EA。進一步研究表明，Parp2-EA不僅能夠抑制LIG1介導的連接配接作用，也同時能夠抑制LIG3介導的連接配接作用。而LIG3已經被證明也能夠在LIG1缺失的情況下參與Okazaki片段的連接配接。“失活的PARP2幹擾了由LIG1和LIG3介導的關鍵DNA斷裂連接配接，導緻複制叉崩潰，”研究人員表示。“這種崩潰在具有超快速複制叉速度的紅細胞母細胞中特别具有破壞性。”通過檢測不同的組織細胞的PARylation水準，發現盡管DNA損傷通常會優先激活PARP1，但複制壓力主要激活PARP2，揭示了PARP2在紅細胞生成中的一個此前未知的複制特異性作用。
綜上所述，失活的PARP2選擇性地結合并以變構方式滞留在5’p Nick處，幹擾由LIG1和LIG3介導的Nick連接配接，包括岡崎片段的成熟。在依賴于及時處理岡崎片段的快速複制的紅細胞母細胞中，失活的PARP2的存在會觸發複制叉崩潰、DNA鍊斷裂，最終引發依賴Tp53和Chk2的檢查點激活、細胞凋亡和緻命性貧血。臨床上接受PARP抑制劑維持治療的患者，可能因為長期造血壓力而增加獲得性Tp53和Chk2突變，進而提高患白血病的風險（圖1）。該研究為目前PARP抑制劑相關的嚴重血液毒性提供了機制性解釋，并揭示了PARP1和PARP2在DNA修複和複制中的功能差異，為進一步優化PARP抑制劑和其他DNA損傷應答抑制劑的治療視窗提供了新思路。
模式圖（Credit: Molecular Cell）
參考文獻
https://www.cell.com/molecular-cell/abstract/S1097-2765(24)00776-7
責編|探索君
排版|探索君
文章來源|“BioArt”
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