C'est une modification post-traductionnelle immédiate et transitoire des protéines du noyau.

Elle est la réponse de la cellule aux interruptions du squelette sucre-phosphate de l'ADN créées par des agents génotoxiques :

• radiations ionisantes
• agents alkylants monofonctionnels (DMS, MMS, MNU)
• agents antitumoraux (cis-platine, bléomycine, streptozotocine)
• dommages oxydatifs

Les protéines qui subissent ce type de modification post-traductionnelle (histones, lamine B et enzymes du métabolisme de l'ADN) sont pour la plupart associées à la chromatine. Exemple de processus physiologiques : fonctionnement des adypocytes, fonctionnement de la topoisomèrase II, différentiation cellulaire, ...

Une fois poly-ADP-ribosylées, les protéines perdent leur affinité pour l'ADN.

Le groupement ADP-ribose provient de la nicotinamide adénine dinucléotide (NAD) sous sa forme oxydée. La forme oxydée et réduite du NAD sont elles-mêmes en interconversion permanente et en relation avec la synthèse d'ATP.

3 types d'enzymes sont impliquées dans le métabolisme de l'ADP-ribose :

• les mono-(ADP-ribosyl)-transférases : 1 seul groupement ADP-ribose
• les poly-(ADP-ribosyl)-transférases : plusieurs groupements ADP-ribose
• les NAD-glycohydrolases : impliquées dans le métabolisme de l'ADP-ribose cyclique, un agent chélatant du calcium qui agit comme second messager

La poly-ADP-ribose polymérase 1 (PARP1, E.C. 2.4.2.30) catalyse la synthèse du PAR à partir du NAD⁺ : PARP1 clive le NAD⁺ en ADP-ribose et nicotinamide et attache de manière covalente l'ADP-ribose à une protéine accepteur. Des molécules de NAD⁺ supplémentaires peuvent être clivées et constituer des formes linéaires et ramifiées du PAR.

Source : Curtin & Szabo (2020)

• La poly-(ADP-ribose) glycohydrolase (PARG - E.C. 3.2.1.143) et l'ADP-ribosylhydrolase 3 (ARH3 - E.C. 3.2.1.143) jouent un rôle central dans la dégradation du PAR grâce à leurs activités exoglycosidiques et endoglycosidiques.
• Les ADP-ribose glycohydrolases MACROD1, MACROD2 et TARG1 agissent sur les peptides mono-(ADP-ribosyl)és générés par PARG. Le PAR libre peut également être dégradé en mono-(ADP-ribose).

Voir un cours sur les glucides.

Domaines structuraux de PARP1

La poly-ADP-ribose polymérase contient 3 domaines structuraux : le domaine de fixation à l'ADN, le domaine d'auto-modification et le domaine de fixation du NAD⁺ (domaine catalytique).

Source : Curtin & Szabo (2020)

A gauche : la surface de la liaison de PARP1 à l'ADN endommagé. A droite : organisation des domaines de PARP1 de l'homme.

• Le domaine N-terminal de liaison à l'ADN contient : 3 domaines en doigt de zinc, qui assurent la médiation de la liaison à l'ADN et de certaines interactions protéine-protéine et un signal de localisation nucléaire (NLS) dans le site de clivage par la caspase (DEVD).

• Le domaine central d'automodification contient un motif BRCT qui médie les interactions protéine-protéine. Le rôle du domaine riche en tryptophane-glycine-arginine (WGR) représente probablement un domaine de liaison de l'acide nucléique.

• Le domaine catalytique C-terminal contient 2 sous-domaines : un domaine hélicoïdal (HD) et le domaine ADP-ribosyltransférase (ART, situé entre les résidus d'acides aminés 785 et 1014) qui contient le site de liaison du NAD⁺ et qui est conservé chez tous les membres PARP de cette famille d'enzymes.

Structure schématique du poly-(ADP-ribose) liée à une protéine et sites de clivage

• la taille de varie de quelques résidus à plus de 200
• le poly(ADP-ribose) a un squelette ribose (1' -> 2') ribose - phosphate - phosphate.
• l'adénosine est liée au carbone anomère du ribose par une liaison glycosidique alpha
• la teneur en résidus ADP-ribose branchée est de 2 à 3%

Source : "ADP-ribose polymer metabolism" - Amé, Jacobson & Jacobson

Deux enzymes sont impliquées dans la dégradation du poly-(ADP-ribose) :

• La poly(ADP-ribose) glycohydrolase hydrolyse la liaison ribose-ribose, aussi bien des parties linéaires que branchées du polymère.
• La phosphodiestérase hydrolyse la liaison anhydride phosphate.

Mode d'action des toxines de type A-B

Les bactéries pathogènes utilisent leurs toxines pour modifier ou détruire les cellules hôtes. Les toxines bactériennes à activité ADP-ribosyle forment une grande famille de toxines mortelles (voir tableau ci-dessous).

Ces toxines sont produites par un large éventail de bactéries pathogènes et constituent l'agent cytotoxique qui cause de graves maladies infectieuses (coqueluche, choléra, diphtérie, ...).

Sources : PDB et "The cholera toxin family : action and inhibition"

Codes PDB : toxine du choléra : 1XTC; enterotoxine : 1LTB; toxine de la coqueluche : 1PRT; toxine diphtérique : 1MDT

La toxine de la coqueluche (PTX) est une toxine de type A-B : ces toxines sont constituées de deux parties (A et B) qui jouent des rôles différents dans l'action de la toxine.

PTX modifie les réponses cellulaires via au moins 2 voies de signalisation différentes :

• Un mode d'action dépendant de la protéine G_i/o : le protomère A (sous-unité S1) possède une activité ADP-ribosyl transférase. Ce protomère ADP-ribosyle la sous-unité α de protéines G_i/o hétérotrimériques : les récepteurs sont découplés des protéines G_i/o.
• Un mode d'action indépendant de la protéine G_i/o : l'oligomère B est constitué de quatre sous-unités (S2 à S5). Cet oligomère se fixe aux protéines à la surface des cellules comme les récepteurs 4 "Toll-like" et active une cascade de signaux intracellulaires.

L'ADP-ribosylation de la sous-unité α de la protéines G_i/o verrouille cette sous-unité dans un état inactif (forme GDP fixé) : elle ne peut plus inhiber l'adénylate cyclase. Cela entraîne l'accumulation d'AMPc ce qui induit divers effets pathologiques dans les cellules hôtes.

La sous-unité S1 (protomère A) contient 2 cystéine en positions 41 et 201, qui forment un pont disulfure dans l'holotoxine native. La réduction de ce pont disulfure induit une forte stimulation de l'activité catalytique de la sous-unité S1, concomitante avec le relarguage de la sous-unité S1 de l'oligomère B.

L'extrémité C-terminale de la sous-unité S1 de PTX (composée de 235 acides aminés) est importante dans l'interaction de cette sous-unité S1 avec l'oligomère B (notamment les acides aminés 220 à 235 hydrophobes).

Les acides aminés 195 à 204 sont requis pour l'ADP-ribosylation de la sous-unité α de la protéines G_i/o. Les acides aminés 205 à 219 constituent la région catalytique de la sous-unité S1 et sont le site de fixation de l'oligomère B.

Les séquences en acides aminés des sous-unités S2 et S3 ont environ 70% d'homologie. Cependant, la sous-unité S2 se fixe aux glycanes non-sialylés et la sous-unité S3 se fixe aux glycanes sialylés.