ADP-核糖化（ADP-Ribosylation）是將ADP-核糖（ADPR）基團(tuán)與目標(biāo)蛋白酶促共價連接的過程。作為修飾物的ADPR是由NAD+裂解產(chǎn)生的，可以在蛋白質(zhì)上添加一處或多處，稱為單（mono）或多（multi）ADP-核糖化。

根據(jù)修飾基團(tuán)是ADPR單體（MAR）還是其聚合物（PAR），又可分為單ADP-核糖化（mono ADP-ribosylation, MARylation）和聚ADP-核糖化（poly ADP-ribosylation, PARylation）兩類。也有文獻(xiàn)將短鏈聚合物修飾稱為寡（Oligo）ADP-核糖化。與修飾位點(diǎn)結(jié)合，就有多種修飾模式。

ADP-核糖化是一種動態(tài)可逆的PTM（翻譯后修飾）系統(tǒng)，借用表觀遺傳調(diào)控中常用的說法，有一套writer、reader、eraser等酶系進(jìn)行調(diào)控。writer即催化形成ADP-核糖化修飾的酶，統(tǒng)稱為ADP-核糖基轉(zhuǎn)移酶（ADP-ribosyl transferase，ADPRT或ART），是一類具有單或多ADP-核糖基轉(zhuǎn)移活性的蛋白質(zhì)。

ART是個超家族，可以按反應(yīng)類型分為催化MARylation的單ADP-核糖轉(zhuǎn)移酶（mono ADP-ribosyl transferases，MART）和催化PARylation的聚ADP-核糖聚合酶（poly ADP-ribosyl polymerase，PARP）。

細(xì)菌ART常按保守的核心基序分為HYE（His-Tyr-Glu）和RSE（Arg-Ser-Glu）兩類，分別以白喉毒素和霍亂毒素為代表。真核生物常按亞細(xì)胞定位分為分泌型（ARTC）和胞內(nèi)型（ARTD）。其中C代表cholera toxin-like（霍亂毒素樣），結(jié)構(gòu)類似于RSE ART；D代表diphtheria toxin-like（白喉毒素樣），類似于HYE ART。ARTC是膜錨定的，所以也稱為ectoART。

人類有17種ARTD，稱為PARP1-16（5有AB兩種）。不過其中3、4、6、10、14-16其實(shí)是MART。之所以這樣，是因?yàn)樗鼈冊陉P(guān)鍵位置發(fā)生突變，導(dǎo)致延伸活性消失，僅保留起始活性，用于催化MARylation。為了區(qū)別這兩種PARP，有人稱之為monoPARP和polyPARP，也有人稱之為PARP monoenzyme或者ARTD polyenzyme。

PARP活性的核心是ART結(jié)構(gòu)域，或稱ART fold。Fold是折疊子，指蛋白質(zhì)中可獨(dú)立折疊的局部結(jié)構(gòu)。ART fold具有結(jié)合NAD+的功能，是已知的兩個NAD+結(jié)合結(jié)構(gòu)之一。另一個是Rossman fold，但它對NAD+的專一性較弱，還可以結(jié)合NADP和FAD，常見于氧化還原酶中。

ART fold結(jié)合NAD+的特異性很高，其中HYE三個殘基起著關(guān)鍵作用。谷氨酸不僅起定位底物的作用，還參與催化過程。它與核糖的2’羥基形成氫鍵，從而促進(jìn)聚合物的延伸，即將ADPR添加到已有的ADPR鏈上。所以谷氨酸的突變可導(dǎo)致延伸活性消失，只能將ADPR轉(zhuǎn)移到氨基酸上，就轉(zhuǎn)變?yōu)镸ART了。

PARP1可以形成二聚體，其中一個亞基作為催化亞基，給另一個受體亞基添加PAR修飾。此過程中還需要其它殘基協(xié)助穩(wěn)定受體的ADPR鏈。下圖為此過程的延伸機(jī)制。

ADP-核糖化修飾可以改變蛋白質(zhì)的活性、穩(wěn)定性和配體結(jié)合能力，對細(xì)胞功能產(chǎn)生重大影響。細(xì)菌利用單-ADP核糖化防御病毒侵染，也用來對抗宿主免疫系統(tǒng)，甚至作為細(xì)菌毒素攻擊真核宿主細(xì)胞關(guān)鍵分子，在細(xì)胞中產(chǎn)生災(zāi)難性的后果。

白喉毒素通過修飾真核延伸因子2（eEF2）而使其失活，從而阻斷蛋白質(zhì)合成并誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡。毒素分子包含3個結(jié)構(gòu)域，其中兩個結(jié)構(gòu)域負(fù)責(zé)結(jié)合細(xì)胞表面抗原和進(jìn)入細(xì)胞，最終進(jìn)入細(xì)胞并催化MAR修飾的是其結(jié)構(gòu)域C。實(shí)驗(yàn)證明，只要有一個結(jié)構(gòu)域C進(jìn)入胞漿，就可以殺死細(xì)胞。

當(dāng)然，ADP-核糖化不僅僅用于毒素，而是具有多種功能，所以人體僅PARP就有17種之多。PARP在多種組織細(xì)胞中都有表達(dá)，其功能涉及DNA修復(fù)、轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)、信號轉(zhuǎn)導(dǎo)以及代謝調(diào)控等多個方面。

PARP家族的創(chuàng)始成員PARP-1參與DNA損傷修復(fù)，包括堿基切除修復(fù)（BER）和雙鏈斷裂（DSB）修復(fù)。PARP-1響應(yīng)DNA損傷，修飾組蛋白并募集染色質(zhì)重塑和損傷修復(fù)的相關(guān)因子，如CHD2、NHEJ組件等，是修復(fù)過程的關(guān)鍵介體。

ADP-核糖化需要消耗NAD+，所以會降低NAD+濃度，影響氧化還原平衡。這會抑制糖酵解、三羧酸循環(huán)和氧化磷酸化，減少ATP合成。因此，ADP-核糖化對物質(zhì)和能量代謝都會產(chǎn)生影響。

ADP-核糖化還會影響蛋白質(zhì)的泛素化降解。RNF146（一種E3泛素連接酶）可以通過其WWE（Trp-Trp-Glu）結(jié)構(gòu)域結(jié)合PAR，從而被募集到有PAR修飾的目標(biāo)蛋白，促進(jìn)其泛素化降解。這里，RNF146起著“閱讀”PAR，啟動下游反應(yīng)的作用，所以是一種reader。

另一種reader，泛素連接酶CHFR，可以通過其PBZ（PAR結(jié)合鋅指）結(jié)構(gòu)域結(jié)合被自PAR修飾的PARP-1，并促進(jìn)隨后的PARP-1泛素化降解。這是PARP調(diào)控自身數(shù)量的一種方式。這些reader中識別ADPR的結(jié)構(gòu)統(tǒng)稱為ADP-核糖結(jié)合結(jié)構(gòu)域（ADP-ribose-binding domain，ARBD）。

負(fù)責(zé)清除ADPR修飾的eraser包括多種水解酶，如ADP-核糖基水解酶3（ARH3）、PAR糖水解酶（PARG）、TARG / C6orf130、MacroD1和MacroD2以及NUDIX水解酶家族等。

這些eraser作用方式不同，PARG和ARH3催化PAR鏈斷裂，保留末端ADP-核糖部分；NUDIX水解酶家族保留磷酸核糖部分；TARG，MacroD1和MacroD2可以將ADP-核糖完全去除。它們有不同的底物，也有不同的亞細(xì)胞定位，這使得PAR可以局部更新，產(chǎn)生復(fù)雜的調(diào)控。

除蛋白質(zhì)外，DNA和RNA也可以發(fā)生ADP-核糖化反應(yīng)。有研究表明，RNA可以被單ADP核糖化，人類的PARP10、PARP11、PARP15以及PARP同源物TRPT1作為writer參與RNA磷酸化末端的ADP-核糖化，細(xì)胞ADP-核糖基水解酶（PARG、TARG1、MACROD1、MACROD2和ARH3）等可以作為eraser。

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