IF 16.6 Nature Communications│细胞内ATP-核糖转移酶PARP1和PARP2在DNA碱基切除修复（BER）和DNA去甲基化中的作用。

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总述：探讨了细胞内ATP-核糖转移酶PARP1和PARP2在DNA碱基切除修复（BER）和DNA去甲基化中的作用，并涉及早期哺乳动物发育中的表观遗传编程。本研究揭示了这些蛋白如何通过共价的聚(ADP-核糖)化（PARylation）调节BER过程，及其在动态DNA甲基化过程中的协调作用。BER介导的DNA去甲基化通过TET蛋白逐步氧化5-甲基胞嘧啶（mC）为5-甲酰胞嘧啶（fC）和5-羧胞嘧啶（caC）。胸腺嘧啶DNA糖苷酶（TDG）识别并切除fC和caC，从而激活BER以恢复未修饰的胞嘧啶。在原始小鼠胚胎干细胞（mESC）中，TET活性持续产生fC和caC，每个基因组大约有60,000个。TDG将这些fC和caC转化为暂时的无碱基位点（AP位点）和DNA单链断裂（SSBs）。PARP1和PARP2结合DNA SSBs，刺激其聚(ADP-核糖)化活性，并将聚(ADP)残基（PARylation）共价附加到自身及附近蛋白上。聚(ADP-核糖)化降低BER蛋白和PARP1对DNA的亲和力，促使它们在修复过程完成后从DNA上解离。这允许修复蛋白重新参与新的BER周期，从而提高整体DNA去甲基化效率。实验结果表明，共价PARylation调节BER蛋白和DNA之间的相互作用动态，促进TDG依赖的主动DNA去甲基化。在体外实验中，使用双生物素标记的G•AP位点DNA双链与XRCC1、POLβ和PARP1或PARP1dead及NAD⁺共同孵育。结果显示，活跃的PARP1观察到了PAR合成，而催化不活跃的PARP1dead则未观察到。XRCC1被PARP1 PARylation后未能与AP位点DNA结合。此外，PARylated的POLβ未能与DNA结合，而未修饰的POLβ在PARP1dead存在时能与AP位点DNA结合。

PARylated的BER蛋白（如APE1、POLβ和XRCC1）处理AP位点底物的能力与未修饰的蛋白相比并未受到显著影响。然而，PARylated的BER蛋白修复效率与未修饰的BER蛋白相比有所降低，这表明PARylation对BER复合体的总体修复动力学产生了影响。在细胞实验中，研究了PARylation对TDG和XRCC1染色质结合的影响。结果表明，抑制mESC中的去PARylation作用导致TDG和XRCC1的染色质结合减少。这些结果表明，DNA和染色质上BER蛋白的结合受到动态PARylation和去PARylation的调节。综上所述，本研究展示了PARP1和PARP2在BER过程中的关键作用，特别是在DNA去甲基化和细胞表观遗传编程中的作用。通过研究PARylation对BER蛋白功能和DNA亲和力的影响，该研究为理解DNA修复和去甲基化过程中的分子机制提供了重要的洞见。

引用文献：Schwarz SD, Xu J, Gunasekera K, Schürmann D, Vågbø CB, Ferrari E, Slupphaug G, Hottiger MO, Schär P, Steinacher R. Covalent PARylation of DNA base excision repair proteins regulates DNA demethylation. Nat Commun. 2024 Jan 2;15(1):184.