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Mol Cell | 查珊团队揭示PARP2失活引起PARP抑制剂相关的血液学副作用

BioArt · 公众号 · 生物 · 2024-10-11 08:45

正文

聚ADP-ribose聚合酶 (Poly ADP-ribose polymerase) PARP1和PARP2催化的ADP-ribose 聚合作用（PARylation）参与多种的生理过程，尤其是在DNA损伤修复的过程中有重要的作用。由PARP1/2介导的以及BRCT1/2介导的两种不同的DNA损伤修复存在有协同作用，共同保证了组织细胞基因组的完整性。基于合成致死的概念，临床中PARP抑制剂被广泛应用了靶向治疗BRCA1/2突变的癌症，其能够在特异性杀死BRCA1/2突变的癌细胞的同时不对正常细胞产生影响。目前，FDA已经批准了四种PARP抑制剂用于治疗BRCA1/2突变的癌症。虽然它们在治疗中显示出巨大潜力，但最近由于无法解释的严重血液学副作用，包括贫血和药物相关的白血病，限制了其使用。在2022年，其中两种PARP抑制剂就因位会导致严重贫血和增加治疗相关髓性白血病的风险而被FDA撤回用于维持治疗的批准。

目前用于临床的四种PARP抑制剂均为PARP1和PARP2的双重抑制剂。他们不仅能够同时抑制PARP1 和PARP2 的酶活性，同时还能够将PARP1 和PARP2滞留在DNA损伤位点上。大量的研究表明，PARP1的滞留对于PARP 抑制剂的癌症治疗效果是至关重要的。敲除PAPR1会极大的降低癌症细胞对PARP抑制剂的敏感性。然而，敲除PARP2却没有任何的影响。对于PARP2失活所带来的的生理学的后果仍然缺少有效的研究。

2024年10月8日，来自美国的哥伦比亚大学查珊团队在Molecular Cell期刊上发表了题为Inactive Parp2 causes Tp53-dependent lethal anemia by blocking replication-associated nick ligation in erythroblasts的研究论文，文章表明失去活性的PARP2可能是引起PARP抑制剂相关血液学副作用的因子。

为了研究PAPR2失活所带来的生理学影响，研究人员通过同源重组的办法在小鼠染色体PARP2的基因原位引入了活性缺失的突变（PARP2-E534A）。E534A失活不仅能够有效的抑制Parp2活性，还能够将Parp2滞留在DNA损伤位点上。很好的模拟了PARP抑制剂作用下的Parp2。研究结果发现Parp2失活会导致小鼠胚胎致死。进一步分析胚胎发育，发现Parp2^EA/EA的胚胎能够正常发育到E13.5左右时期。但是，这个时期的胚胎呈现出明显的红细胞生成障碍——与野生型的胚胎比较，Parp2^EA/EA的胚胎缺乏血色以及更小更惨白胎肝（胚胎时期红细胞生成的器官）。作为比较，Parp2完全缺失的小鼠（Parp2^-/-）能够正常的出生，且E13.5的胚胎没有明显的红细胞发生缺陷。表明失活的PARP2，而非其缺失，是导致小鼠出现致命性贫血的关键因素。

研究还显示，失活的PARP2干扰DNA复制，引发基因组不稳定，并通过Tp53和Chk2依赖的通路导致细胞周期停滞和细胞凋亡。敲除Tp53或Chk2可逆转这些表型并挽救胚胎。

有趣的是，该团队此前于2023年7月在《PNAS》上发表的研究指出，失活的PARP1也会导致小鼠胚胎死亡。但是其胚胎在E9.5之前就完全消失了，远早于胚胎红细胞生成的时间（E11.5）。表明失活的PARP2特异性阻碍红细胞的发生。这与PARP1和PARP2不同的DNA底物结合活性有关：PARP1能够通过其N端的3个锌指结构和WGR结构域结合到多种的DNA结构，包括单链DNA断裂（SSB），双链DNA 断裂（DSB）等；但是，PARP2的N端仅仅含有一个DNA结合结构域——WGR结构域。PARP2只能够结合并被5'-磷酸化DNA裂口（5’p-Nick）激活。在正常复制的细胞中，DNA滞后链的Okazaki片段成熟过程中会产生的大量的5’p-Nick需要通过DNA连接酶LIG1连接成完整的DNA。体外的5’p-Nick DNA连接实验表明，活性缺失的PARP2会抑制LIG1介导的连接作用。体内超分辨率荧光成像也表明失活的PARP2会阻碍LIG1结合到正在复制的DNA上。有意思的是，LIG1缺失的小鼠也呈现出相似胚胎致死性贫血表型，但其表型稍弱于Parp2^EA/EA。进一步研究表明，Parp2-EA不仅能够抑制LIG1介导的连接作用，也同时能够抑制LIG3介导的连接作用。而LIG3已经被证明也能够在LIG1缺失的情况下参与Okazaki片段的连接。“失活的PARP2干扰了由LIG1和LIG3介导的关键DNA断裂连接，导致复制叉崩溃，”研究人员表示。“这种崩溃在具有超快速复制叉速度的红细胞母细胞中特别具有破坏性。”通过检测不同的组织细胞的PARylation水平，发现尽管DNA损伤通常会优先激活PARP1，但复制压力主要激活PARP2，揭示了PARP2在红细胞生成中的一个此前未知的复制特异性作用。

综上所述，失活的PARP2选择性地结合并以变构方式滞留在5’p Nick处，干扰由LIG1和LIG3介导的Nick连接，包括冈崎片段的成熟。在依赖于及时处理冈崎片段的快速复制的红细胞母细胞中，失活的PARP2的存在会触发复制叉崩溃、DNA链断裂，最终引发依赖Tp53和Chk2的检查点激活、细胞凋亡和致命性贫血。临床上接受PARP抑制剂维持治疗的患者，可能因为长期造血压力而增加获得性Tp53和Chk2突变，进而提高患白血病的风险（图1）。该研究为当前PARP抑制剂相关的严重血液毒性提供了机制性解释，并揭示了PARP1和PARP2在DNA修复和复制中的功能差异，为进一步优化PARP抑制剂和其他DNA损伤应答抑制剂的治疗窗口提供了新思路。