БИОХИМИЯ, 2020, том 85, вып. 1, с. 116 - 125

УДК 577.151.02; 577.152.2

МОДЕЛИРОВАНИЕ ФЕРМЕНТ СУБСТРАТНЫХ КОМПЛЕКСОВ

ПОЛИ(ADP РИБОЗО)ПОЛИМЕРАЗЫ 1 ЧЕЛОВЕКА*^,**

Д.К. Нилов¹#, С.В. Пушкарев²#, И.В. Гущина², Г.А. Манасарян³,

К.И. Кирсанов⁴, В.К. Швядас^1,2***

¹ Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, НИИ физико"химической биологии

им. А.Н. Белозерского, 119991 Москва, Россия; электронная почта: vytas@belozersky.msu.ru

² Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова,

факультет биоинженерии и биоинформатики, 119991 Москва, Россия

³ Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова,

факультет фундаментальной медицины, 119991 Москва, Россия

⁴ Национальный медицинский исследовательский центр онкологии им. Н.Н. Блохина,

Научно"исследовательский институт канцерогенеза, 115478 Москва, Россия

Поступила в редакцию 19.08.2019

После доработки 16.10.2019

Принята к публикации 16.10.2019

Поли(ADP рибозо)полимераза 1 (ПАРП 1) является ключевым ферментом репарации ДНК и важной ми

шенью для терапии онкологических заболеваний. Сложное строение субстратов ПАРП 1 ограничивает воз

можности экспериментального изучения механизма реакции, однако необходимые данные могут быть по

лучены путем молекулярного моделирования. В представленной работе впервые получена молекулярно ди

намическая модель фермент субстратного комплекса ПАРП 1, содержащего молекулу NAD⁺ и конец цепи

поли(ADP рибозы) в виде молекулы ADP. Охарактеризованы взаимодействия с остатками активного цент

ра, среди которых определяющую роль играют Gly863, Lys903, Glu988, а также предложен S_N1 подобный

механизм для катализируемой реакции ADP рибозилирования. С помощью молекулярного докинга полу

чены модели комплексов ПАРП 1 с более сложными двухзвенными фрагментами растущей цепи полимера

и конкурентными ингибиторами 3 аминобензамидом и 7 метилгуанином.

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: репарация ДНК, молекулярная динамика, докинг, субстраты, ингибиторы.

DOI: 10.31857/S0320972520010091

Поли(ADP рибозо)полимераза 1 человека

ков глутаминовой и аспарагиновой кислоты, а

(ПАРП 1; КФ 2.4.2.30) является ферментом су

также лизина) [6, 7]. Далее происходит синтез

персемейства ADP рибозилтрансфераз, кото

полианиона ПАР путем последовательного при

рый обладает ДНК зависимой активностью и

соединения новых звеньев ADP рибозы с обра

катализирует синтез поли(ADP рибозы) (ПАР,

зованием гликозидных связей α(1→2) [8, 9].

рис. 1) из молекул NAD⁺ [1-5]. ПАРП 1 осуще

Связывание ПАРП 1 с разрывами ДНК при

ствляет перенос ADP рибозы на белок акцеп

водит к модификации других белков, вовлечен

тор с высвобождением никотинамида (модифи

ных в метаболизм ДНК, а также к автомодифи

кации могут подвергаться боковые цепи остат

кации [11, 12]. Результатом поли(ADP рибо

зил)ирования является реорганизация структу

Принятые сокращения: ПАРП 1 - поли(ADP ри

ры хроматина и мобилизация белков репарации

бозо)полимераза 1, ПАР - поли(ADP рибоза), МД - мо

для устранения повреждения [13-16]. В част

лекулярная динамика.

ности, автомодифицированная ПАРП 1 образу

* Первоначально английский вариант рукописи опубли

ет комплекс с белком эксцизионной репарации

кован на сайте «Biochemistry» (Moscow) http://protein.bio.

XRCC1, который, в свою очередь, взаимодей

msu.ru/biokhimiya, в рубрике «Papers in Press», BM19 253,

ствует с ДНК полимеразой β и ДНК лигазой III

16.12.2019.

[17, 18]. Поскольку ПАРП 1 является ключевым

** Приложение к статье на английском языке опублико

вано на сайте журнала «Biochemistry» (Moscow) и на сайте

ферментом репарации ДНК в опухолевых клет

издательства Springer (https://link.springer.com/journal/

ках, большое внимание уделяется поиску его

10541), том 85, вып. 1, 2020.

ингибиторов, обладающих собственным анти

*** Адресат для корреспонденции.

пролиферативным эффектом или действующих

# Авторы внесли равный вклад в работу.

в сочетании с ДНК повреждающими препара

116

МОДЕЛИРОВАНИЕ КОМПЛЕКСОВ ПАРП 1

117

тами [19-22]. Недавно для лечения рака молоч

термедиатов, поэтому актуальной задачей явля

ной железы и яичников были одобрены три син

ется моделирование фермент субстратных

тетических ингибитора ПАРП 1: олапариб, ру

комплексов на основе доступных кристаллогра

капариб и нирапариб [23-25]. Клеточная функ

фических данных. Детальное исследование мо

ция ПАРП 1, а также способы ее подавления

лекулярных взаимодействий ПАРП 1 с субстра

подробно рассмотрены в большом числе обзо

тами представляет не только фундаментальный

ров [26-31].

интерес, но и может создать основу для рацио

О молекулярном механизме реакции ADP

нального дизайна эффективных конкурентных

рибозилирования известно не так много. В ак

ингибиторов. Успешное решение данной задачи

тивном центре каталитического домена ПАРП 1

в настоящее время становится возможным бла

можно выделить участок связывания донора

годаря следующим факторам: наличию много

(NAD⁺) и участок связывания акцептора (ПАР)

доменной структуры апоформы 4dqy [37, 38],

[32]. Молекула NAD⁺, по видимому, образует

структуры каталитического домена со связан

водородные связи с Gly863 и гидрофобный кон

ным аналогом субстрата акцептора 1a26 [35] и

такт с Tyr907 подобно миметикам никотинамид

недавнему появлению структуры каталитичес

ного фрагмента, для которых установлена

кого домена ПАРП 1 со связанным аналогом

структура фермент ингибиторных комплексов

субстрата донора 6bhv [39].

[33, 34]. Некоторые предположения относитель

но связывания субстрата акцептора можно сде

лать на основе кристаллической структуры

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

ПАРП 1 с неактивным структурным аналогом,

аденозиндифосфатный фрагмент которого об

Молекулярную модель ПАРП 1 человека

разует гидрофобный контакт с Met890 и водо

конструировали на основе кристаллической

родные связи с Lys903 и Glu988 [35]. Карбок

структуры 4dqy (цепи A, B, C, M и N). Координа

сильная группа остатка Glu988 находится вбли

ты неразрешенной петли 576-583 в домене WGR

зи расщепляемой N гликозидной связи NAD⁺

перенесли из структуры 2cr9. Координаты петли

и, предположительно, может выступать в роли

645-661 между WGR и каталитическим доменом

общего основания, активирующего нуклео

были предсказаны с помощью программы

фильную группу субстрата акцептора, и/или

Modeller 9.20 (рис. 2) [40]. Координаты аналога

участвовать в стабилизации переходного состо

NAD⁺ перенесли из структуры 6bhv, после чего

яния [33, 35, 36].

преобразовали бензамидный фрагмент в нико

На данный момент нет достоверной инфор

тинамидный путем замены соответствующего

мации о взаимной ориентации субстратов

атома углерода на азот. Координаты боковой це

ПАРП 1, необходимой для протекания реак

пи Arg878, взаимодействующей с адениновой

ции, и о структуре переходных состояний и ин

группой NAD⁺ и обладающей существенной

Рис. 1. Химическое строение ПАР. Синим цветом показано первое звено ADP рибозы, присоединенное к белку акцепто

ру. Ветвление полимера происходит, когда в реакцию нуклеофильного замещения вовлекается «никотинамидная» рибоза

ПАР. Присоединение ADP рибозы в результате реакций элонгации и ветвления происходит в соотношении 41/1 [10].

С цветным вариантом рис. 1 можно ознакомиться в электронной версии статьи на сайте: http://sciencejournals.ru/journal/

biokhsm/

БИОХИМИЯ том 85 вып. 1 2020

118

НИЛОВ и др.

Рис. 2. Многодоменное строение полученной модели ПАРП 1 человека со связанными молекулами ДНК, NAD⁺ и ADP.

С цветным вариантом рис. 2 можно ознакомиться в электронной версии статьи на сайте: http://sciencejournals.ru/journal/

biokhsm/

конформационной подвижностью, также заим

зовали силовое поле ff14SB [45], для описания

ствовали из 6bhv. Координаты ADP в качестве

молекул NAD⁺ и ADP - параметры из базы дан

структурного аналога субстрата акцептора пере

ных Amber Parameter Database [46-48].

несли из структуры 1a26. Для наложения струк

Среди кадров траектории равновесной симу

тур использовали программу Matt 1.00 [41].

ляции выбрали структуру, в которой взаимное

Далее структуру оптимизировали и исследо

расположение субстратов было близко к реак

вали методом молекулярной динамики (МД) с

ционноспособной конфигурации, и провели

помощью AmberTools 15 и пакета Amber 14 [42,

минимизацию ее энергии (5000 шагов наиско

43], установленного на суперкомпьютере МГУ

рейшего спуска + 5000 шагов по методу сопря

[44]. Атомы водорода добавляли с учетом иони

женных градиентов). Полученную структуру ис

зационных свойств остатков, в частности в ими

пользовали для ковалентного докинга в про

дазольном кольце остатка активного центра

грамме Lead Finder 1.1.15 [49, 50]: молекула ADP

His862 был протонирован Nδ1 атом. Структуру

была достроена до фрагментов ПАР, состоящих

окружали слоем (12 Å) воды TIP3P, для нейтра

из двух звеньев ADP рибозы. Недостающие

лизации отрицательного суммарного заряда до

группы атомов присоединяли к С5′ атому

бавляли ионы натрия. На первой стадии мини

(элонгация, ветвление) и С1′ атому (ветвление).

мизации энергии полученной системы (2500 ша

Кроме того, с помощью Lead Finder был осуще

гов по методу наискорейшего спуска + 2500 ша

ствлен стандартный докинг ингибиторов 3 ами

гов по методу сопряженных градиентов) коорди

нобензамида и 7 метилгуанина в активный

наты белка, ДНК и субстратов фиксировали по

центр (для этого из структуры ПАРП 1 были

зиционными ограничениями 2 ккал/(моль⋅Å²)

предварительно удалены молекулы субстратов).

на тяжелых атомах. Вторую стадию минимиза

Для визуализации структур использовали VMD

ции (5000 шагов наискорейшего спуска + 5000

1.9.2 [51].

шагов по методу сопряженных градиентов) про

водили без каких либо ограничений. Затем сис

тему разогревали от 0 до 300 К с использовани

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

ем позиционных ограничений 1 ккал/(моль⋅Å²)

на атомах белка, ДНК и субстратов (250 пс, пос

На основе доступного набора кристалличес

тоянный объем) и уравновешивали при 300 К

ких структур ПАРП 1 была впервые сконструи

(500 пс, постоянное давление). Достижение рав

рована МД модель фермент субстратного

новесной конформации субстратов подтвержда

комплекса c NAD⁺ и концевым фрагментом

ли путем анализа среднего квадратичного от

ПАР, представленным в виде молекулы ADP

клонения их атомов от начального положения.

(рис. S1 в Приложении). Полученная сольвати

В дальнейшем с использованием подготовлен

рованная система помимо субстратов включала

ной структуры рассчитывали и анализировали

703 аминокислотных остатка, 52 нуклеотида,

траекторию равновесной симуляции МД дли

2 иона Zn²⁺, 49 ионов Na⁺ и 73281 молекулу во

ною 5000 пс. Шаг интегрирования составлял

ды. В результате анализа траектории равновес

0,002 пс с учетом использования алгоритма

ной симуляции ПАРП 1 были обнаружены сле

SHAKE. Радиус отсечения невалентных взаимо

дующие важные межмолекулярные взаимодей

действий составлял 10 Å. Регуляцию температу

ствия. Никотинамидная группа NAD⁺ образует

ры осуществляли по методу Ланжевена, давле

две водородные связи с остатком Gly863 (табли

ния - по методу Берендсена. Для молекулярно

ца и рис. S2 в Приложении), а также π стэкинг с

механического описания белка и ДНК исполь

боковой цепью Tyr907, что согласуется с резуль

БИОХИМИЯ том 85 вып. 1 2020

МОДЕЛИРОВАНИЕ КОМПЛЕКСОВ ПАРП 1

119

татами гомологичного моделирования, которые

Ключевые взаимодействия в активном центре ПАРП 1,

выявленные с помощью равновесной МД симуляции.

были получены с использованием структур дру

Приведены средние значения расстояний вместе со стан

гих представителей суперсемейства (дифтерий

дартным отклонением

ного токсина и экзотоксина А) [34, 52]. Рибоза

адениновой части NAD⁺ образует водородную

Взаимодействие

Расстояние, Å

связь с Nε2 атомом имидазольного кольца

1,7 ± 0,1

His862. Адениновый заместитель концевой ри

Glu988:OE1 ⋅⋅⋅ NAD⁺:2′_N OH:H

бозы ПАР формирует устойчивый гидрофобный

Glu988:OE2 ⋅⋅⋅ ADP:3′_A OH:H

1,7 ± 0,2

контакт с боковой цепью Met890, а пирофос

2,0 ± 0,2

Gly863:H ⋅⋅⋅ NAD⁺:CONH₂:O

фатная группа образует водородную связь с ами

2,4 ± 0,4

Gly863:O ⋅⋅⋅ NAD⁺:CONH₂:H

ногруппой Lys903, которая, в свою очередь, ста

1,9 ± 0,3

Lys903:NH₃:H* ⋅⋅⋅ ADP:P₂O₇:O

билизирует положение наиболее важного для

2,0 ± 0,2

катализа остатка Glu988. Карбоксильная группа

Lys903:NH₃:H* ⋅⋅⋅ Glu988:OE2

Glu988 образует водородные связи с 2′_N гидрок

1,9 ± 0,2

NAD⁺:CONH₂:H ⋅⋅⋅ NAD⁺:P₂O₇:O**

сильной группой NAD⁺ и 3′_A гидроксильной

группой фрагмента ПАР, обеспечивая требуемое

* Для каждого кадра траектории в расчет принимали ми

взаимное расположение субстрата донора и

нимальное из расстояний до атомов водорода аминогруп

пы Lys903, поскольку данная группа способна претерпе

субстрата акцептора (рис. 3, а; нижние индексы

вать вращение.

«N» и «A» обозначают принадлежность к нико

** Внутримолекулярная водородная связь NAD⁺.

тинамидной и адениновой рибозе).

Здесь следует вспомнить о поддерживаемом

некоторыми авторами предположении о том,

но предложить механизм и для реакции иници

что Glu988 образует также водородную связь с

ации синтеза ПАР, когда акцептором ADP ри

2′ гидроксильной группой ПАР и является ак

бозы служит остаток глутаминовой или аспара

цептором протона при нуклеофильной атаке по

гиновой кислоты на поверхности модифицируе

механизму S_N2 [35, 36, 53, 54]. Однако в ходе си

мого белка. В этом случае один из атомов кисло

муляции мы не наблюдали ни образования упо

рода модифицируемой карбоксильной группы

мянутой водородной связи, ни реакционноспо

может занимать положение 2′ гидроксильной

собной линейной конфигурации атомов

группы ПАР вблизи расщепляемой гликозид

ADP:O2′_A, NAD⁺:C1′_N и NAD⁺:N1_N, характерной

ной связи. Отрицательный заряд карбоксиль

для механизма S_N2. Среднее значение расстоя

ной группы белка акцептора способствует рас

ния O2′_A ⋅⋅⋅ C1′_N составило 4,2 Å, угла O2′_A ⋅⋅⋅ C1′_N

щеплению NAD⁺ с образованием иона оксокар

⋅⋅⋅ N1_N - 135° (рис. 4), в то время как необходи

бения, после чего происходит нуклеофильная

мое для нуклеофильной атаки расстояние со

атака. Данное предположение объясняет тот

ставляет ~3 Å, а угол не должен сильно откло

факт, что мутации E988Q и E988A существенно

няться от значения 180° [55]. Это дает основание

снижают способность ПАРП 1 катализировать

предположить, что катализируемая ПАРП 1 ре

реакцию элонгации, но мало влияют на стадию

акция ADP рибозилирования протекает по аль

инициации [36]. Glu988 обеспечивает реакци

тернативному, S_N1 подобному механизму

онноспособную ориентацию субстратов (NAD⁺

(рис. 5). По видимому, сначала происходит об

и ПАР) и стабилизирует интермедиат при нара

разование интермедиата - иона оксокарбения,

щивании цепи ПАР. Однако на стадии инициа

который стабилизируется благодаря отрица

ции этот остаток не столь важен, поскольку его

тельному заряду карбоксильной группы Glu988.

стабилизирующую функцию выполняет карбок

Реакционный центр приобретает плоскую кон

сильная группа белка акцептора.

фигурацию, что облегчает последующую атаку

Полученная МД структура ПАРП 1 характе

2′ гидроксильной группой акцептора. Посколь

ризует взаимную ориентацию NAD⁺ и атакую

ку ПАР является отрицательно заряженным био

щей рибозы ПАР на примере модельной молеку

полимером, его связывание в активном центре

лы ADP, однако она не дает представления о по

ПАРП 1 в качестве субстрата акцептора может

ложении растущей цепи полимера. Конструиро

способствовать образованию иона оксокарбе

вание более сложных фрагментов ПАР, состоя

ния. Интересно, что похожий механизм был ус

щих из двух звеньев ADP рибозы, было осущест

тановлен для других представителей суперсе

влено методом ковалентного докинга. Для этого

мейства ADP рибозилтрансфераз: ПАРП 10

был выбран кадр траектории МД симуляции, в

[56], дифтерийного токсина [57, 58], экзотокси

котором взаимное расположение субстратов

на А [59, 60] и йота токсина [61, 62].

близко к реакционноспособной конфигурации

Допуская возможность образования иона

(рис. 4), а никотинамидная рибоза NAD⁺ пред

оксокарбения в активном центре ПАРП 1, мож

ставлена в конформации 3′ экзо. В данной кон

БИОХИМИЯ том 85 вып. 1 2020

120

НИЛОВ и др.

Рис. 3. Взаимное расположение NAD⁺ и ПАР в моделях фермент субстратных комплексов ПАРП 1, полученных метода

ми МД и докинга. а и б - Элонгация; в и г - ветвление. Можно видеть, что положение пирофосфатной группы, присое

диненной к атакующей рибозе ПАР, практически не отличается.

С цветным вариантом рис. 3 можно ознакомиться в электронной версии статьи на сайте: http://sciencejournals.ru/journal/

biokhsm/

формации атомы C2′_N, C1′_N, O4′_N и С4′_N находятся

вое звено переносится на концевую адениновую

в одной плоскости (как в ионе оксокарбения),

рибозу ПАР; реакционноспособная ориентация

что должно облегчать образование интермедиата

субстратов представлена на рис. 3, а и б. С опре

реакции. Далее к молекуле ADP присоединили

деленной периодичностью также происходит

недостающие группы атомов, получив коорди

ветвление полимера, когда новое звено присое

наты субстрата акцептора (ПАР) для реакций

диняется к «никотинамидной» рибозе (рис. 1)

элонгации и ветвления. В случае элонгации но

[10, 63, 64]. Считается, что для осуществления

БИОХИМИЯ том 85 вып. 1 2020

МОДЕЛИРОВАНИЕ КОМПЛЕКСОВ ПАРП 1

121

бозы с инвертированием конфигурации C1′

атома (рис. 3, в и г). На рис. 3, б и г, можно срав

нить ориентацию растущей цепи полимера в

случае элонгации и ветвления.

Адекватность полученной модели фермент

субстратного комплекса и важность установлен

ных взаимодействий в активном центре МД

структуры подтвердили результаты докинга двух

известных ингибиторов ПАРП 1 с предполагае

мым конкурентным механизмом действия. Пер

вое соединение, 3 аминобензамид, является хо

рошо изученным структурным аналогом нико

тинамидной группы NAD⁺ [65-67]. Второе со

единение, 7 метилгуанин, представляет собой

новый ингибитор ПАРП с перспективным про

филем фармакокинетики и токсичности. Дан

ный метаболит нуклеиновых кислот усиливает

апоптотическую гибель раковых клеток в комби

нации с цисплатином и доксорубицином in vitro,

не оказывая при этом существенного побочного

действия на организм в предварительных испы

Рис. 4. Распределение пар значений расстояние-угол для

таниях in vivo [68-70]. Молекулярный докинг

атомов в реакционном центре ПАРП 1, полученное в ре

показал, что 3 аминобензамид и 7 метилгуанин

зультате равновесной МД симуляции. Каждая точка соот

занимают участок никотинамидной группы

ветствует определенному кадру траектории, зеленым цве

NAD⁺, образуя свойственные субстрату взаимо

том отмечена структура (t = 3234 пс), которую использова

действия с остатками Gly863 и Tyr907 (рис. 6). В

ли для проведения докинга.

С цветным вариантом рис. 4 можно ознакомиться в элек

случае 7 метилгуанина функциональная амид

тронной версии статьи на сайте: http://sciencejournals.ru/

ная группа встроена в систему конденсирован

journal/biokhsm/

ных колец, однако это не мешает формированию

водородных связей с Gly863 (рис. 6, б).

В результате проведенных исследований со

данной реакции ПАР разворачивается на 180°,

здана модель фермент субстратного комплекса

что позволяет группе 2′_N OH занять реакцион

ПАРП 1 человека. При анализе МД траектории

носпособное положение 2′_A OH (рис. S3 в При

комплекса охарактеризованы взаимная ориента

ложении). Положение пирофосфатной группы,

ция субстрата донора (молекула NAD⁺) и

присоединенной к атакующей рибозе, не пре

субстрата акцептора (фрагмент ПАР), а также их

терпевает при этом существенных изменений

взаимодействия с остатками активного центра,

[35]. Для моделирования положения ПАР, соот

среди которых определяющую роль играют

ветствующего реакции ветвления, адениновая

Gly863, Lys903 и Glu988. Это позволило сделать

группа ADP была заменена на остаток ADP ри

предположение о том, что катализируемый

Рис. 5. Предполагаемый S_N1 подобный механизм реакции ADP рибозилирования, катализируемой ПАРП 1. Отрица

тельный заряд карбоксильной группы Glu988 стабилизирует интермедиат (ион оксокарбения)

БИОХИМИЯ том 85 вып. 1 2020

122

НИЛОВ и др.

Рис. 6. Моделирование связывания 3 аминобензамида (а) и 7 метилгуанина (б) в активном центре ПАРП 1. Желтым цве

том показана фенильная группа Tyr907, образующая с ингибитором π стэкинг. Серым цветом показаны координаты ни

котинамидной группы NAD⁺ в МД структуре ПАРП 1.

С цветным вариантом рис. 6 можно ознакомиться в электронной версии статьи на сайте: http://sciencejournals.ru/journal/

biokhsm/

ПАРП 1 синтез ПАР происходит по S_N1 подоб

Финансирование. Исследование выполнено

ному механизму через образование ионов оксо

при финансовой поддержке Российского фонда

карбения. Методом докинга показано, что учас

фундаментальных исследований (гранты № 18

ток связывания никотинамидной группы NAD⁺

315 00389 мол_а, и № 17 08 01614 А).

является мишенью для ингибиторов 3 амино

Конфликт интересов. Авторы заявляют об от

бензамида и 7 метилгуанина. В дальнейшем по

сутствии конфликта интересов.

лученная модель фермент субстратного комп

Соблюдение этических норм. Настоящая

лекса может быть использована при рациональ

статья не содержит описания выполненных ав

ном дизайне ингибиторов ПАРП нового поколе

торами исследований с участием людей или ис

ния. В частности, с помощью гибридных кванто

пользованием животных в качестве объектов.

во механических/молекулярно механических

Благодарности. Исследование выполнено с

методов на ее основе может быть получена струк

использованием оборудования Центра коллек

тура интермедиата ПАРП 1 для скрининга моле

тивного пользования сверхвысокопроизводи

кул, комплементарных соответствующему кон

тельными вычислительными ресурсами МГУ

формационному состоянию активного центра.

имени М.В. Ломоносова.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Cohen, M.S., and Chang, P. (2018) Insights into the bio

Tao, Z., Gao, P., and Liu, H.W. (2009) Identification of the

genesis, function, and regulation of ADP ribosylation,

ADP ribosylation sites in the PARP 1 automodification

Nat. Chem. Biol., 14, 236-243.

domain: analysis and implications, J. Am. Chem. Soc., 131,

Taniguchi, T. (1987) Reaction mechanism for automodifi

14258-14260.

cation of poly(ADP ribose) synthetase, Biochem. Biophys.

Altmeyer, M., Messner, S., Hassa, P.O., Fey, M., and

Res. Commun., 147, 1008-1012.

Hottiger, M.O.

(2009) Molecular mechanism of

Lin, H. (2007) Nicotinamide adenine dinucleotide:

poly(ADP ribosyl)ation by PARP1 and identification of

beyond a redox coenzyme, Org. Biomol. Chem., 5,

lysine residues as ADP ribose acceptor sites, Nucleic Acids

2541-2554.

Res., 37, 3723-3738.

Naegeli, H., Loetscher, P., and Althaus, F.R. (1989) Poly

Drenichev, M.S., and Mikhailov, S.N. (2015) Poly(ADP

ADP ribosylation of proteins. Processivity of a post trans

ribose) - a unique natural polymer structural features, bio

lational modification, J. Biol. Chem., 264, 14382-14385.

logical role and approaches to the chemical synthesis,

Ménard, L., Thibault, L., and Poirier, G.G.

(1990)

Nucleosides Nucleotides Nucleic Acids, 34, 258-276.

Reconstitution of an in vitro poly(ADP ribose) turnover

Miwa, M., Ishihara, M., Takishima, S., Takasuka, N.,

system, Biochim. Biophys. Acta, 1049, 45-58.

Maeda, M., Yamaizumi, Z., Sugimura, T., Yokoyama, S.,

БИОХИМИЯ том 85 вып. 1 2020

МОДЕЛИРОВАНИЕ КОМПЛЕКСОВ ПАРП 1

123

and Miyazawa, T. (1981) The branching and linear portions

25.

Zimmer, A.S., Gillard, M., Lipkowitz, S., and Lee, J.M.

of poly(adenosine diphosphate ribose) have the same

(2018) Update on PARP inhibitors in breast cancer, Curr.

alpha(1 → 2) ribose ribose linkage, J. Biol. Chem., 256,

Treat. Options Oncol., 19, 21.

2916-2921.

26.

Ray Chaudhuri, A., and Nussenzweig, A. (2017) The mul

10.

Keith, G., Desgrès, J., and de Murcia, G. (1990) Use of

tifaceted roles of PARP1 in DNA repair and chromatin

two dimensional thin layer chromatography for the com

remodeling, Nat. Rev. Mol. Cell Biol., 18, 610-621.

ponents study of poly(adenosine diphosphate ribose), Anal.

27.

Ryu, K.W., Kim, D.S., and Kraus, W.L. (2015) New facets

Biochem., 191, 309-313.

in the regulation of gene expression by ADP ribosylation

11.

Mendoza Alvarez, H., and Alvarez Gonzalez, R. (1993)

and poly(ADP ribose) polymerases, Chem. Rev., 115,

Poly(ADP ribose) polymerase is a catalytic dimer and the

2453-2481.

automodification reaction is intermolecular, J. Biol. Chem.,

28.

Curtin, N.J., and Szabo, C. (2013) Therapeutic applica

268, 22575-22580.

tions of PARP inhibitors: anticancer therapy and beyond,

12.

Mendoza Alvarez, H., and Alvarez Gonzalez, R. (1999)

Mol. Aspects Med., 34, 1217-1256.

Biochemical characterization of mono(ADP ribosyl)ated

29.

Ferraris, D.V. (2010) Evolution of poly(ADP ribose) poly

poly(ADP ribose) polymerase, Biochemistry,

38,

merase 1 (PARP 1) inhibitors. From concept to clinic, J.

3948-3953.

Med. Chem., 53, 4561-4584.

13.

Hassler, M., and Ladurner, A.G. (2012) Towards a struc

30.

Virág, L., and Szabó, C. (2002) The therapeutic potential

tural understanding of PARP1 activation and related sig

of poly(ADP ribose) polymerase inhibitors, Pharmacol.

nalling ADP ribosyl transferases, Curr. Opin. Struct. Biol.,

Rev., 54, 375-429.

22, 721-729.

31.

Малюченко Н.В., Котова Е.Ю., Кулаева О.И., Кир

14.

Schreiber, V., Dantzer, F., Ame, J.C., and de Murcia, G.

пичников М.П., Студитский В.М. (2015) Ингибиторы

(2006) Poly(ADP ribose): novel functions for an old mole

PARP1: разработка противоопухолевых препаратов,

cule, Nat. Rev. Mol. Cell Biol., 7, 517-528.

Acta Naturae, 7, 30-41.

15.

Hassa, P.O., Haenni, S.S., Elser, M., and Hottiger, M.O.

32.

Barkauskaite, E., Jankevicius, G., and Ahel, I. (2015)

(2006) Nuclear ADP ribosylation reactions in mammalian

Structures and mechanisms of enzymes employed in the

cells: where are we today and where are we going?

synthesis and degradation of PARP dependent protein

Microbiol. Mol. Biol. Rev., 70, 789-829.

ADP ribosylation, Mol. Cell, 58, 935-946.

16.

Jagtap, P., and Szabó, C. (2005) Poly(ADP ribose) poly

33.

Ruf, A., Mennissier de Murcia, J., de Murcia, G., and

merase and the therapeutic effects of its inhibitors, Nat.

Schulz, G.E. (1996) Structure of the catalytic fragment of

Rev. Drug Discov., 4, 421-440.

poly(AD ribose) polymerase from chicken, Proc. Natl.

17.

Brem, R., and Hall, J. (2005) XRCC1 is required for DNA

Acad. Sci. USA, 93, 7481-7485.

single strand break repair in human cells, Nucleic Acids

34.

Ruf, A., de Murcia, G., and Schulz, G.E. (1998) Inhibitor

Res., 33, 2512-2520.

and NAD⁺ binding to poly(ADP ribose) polymerase as

18.

Masson, M., Niedergang, C., Schreiber, V., Muller, S.,

derived from crystal structures and homology modeling,

Menissier de Murcia, J., and de Murcia, G.

(1998)

Biochemistry, 37, 3893-3900.

XRCC1 is specifically associated with poly(ADP ribose)

35.

Ruf, A., Rolli, V., de Murcia, G., and Schulz, G.E. (1998)

polymerase and negatively regulates its activity following

The mechanism of the elongation and branching reaction

DNA damage, Mol. Cell. Biol., 18, 3563-3571.

of poly(ADP ribose) polymerase as derived from crystal

19.

Jain, P.G., and Patel, B.D. (2019) Medicinal chemistry

structures and mutagenesis, J. Mol. Biol., 278, 57-65.

approaches of poly ADP Ribose polymerase 1 (PARP1)

36.

Marsischky, G.T., Wilson, B.A., and Collier, R.J. (1995)

inhibitors as anticancer agents - a recent update, Eur. J.

Role of glutamic acid 988 of human poly ADP ribose

Med. Chem., 165, 198-215.

polymerase in polymer formation. Evidence for active site

20.

Martin, S.A., Lord, C.J., and Ashworth, A. (2008) DNA

similarities to the ADP ribosylating toxins, J. Biol. Chem.,

repair deficiency as a therapeutic target in cancer, Curr.

270, 3247-3254.

Opin. Genet. Dev., 18, 80-86.

37.

Langelier, M.F., Planck, J.L., Roy, S., and Pascal, J.M. (2012)

21.

Cepeda, V., Fuertes, M.A., Castilla, J., Alonso, C.,

Structural basis for DNA damage dependent poly(ADP

Quevedo, C., Soto, M., and Pérez, J.M. (2006) Poly(ADP

ribosyl)ation by human PARP 1, Science, 336, 728-732.

ribose) polymerase 1 (PARP 1) inhibitors in cancer

38.

Langelier, M.F., Eisemann, T., Riccio, A.A., and Pascal, J.M.

chemotherapy, Recent Pat. Anticancer Drug Discov., 1,

(2018) PARP family enzymes: regulation and catalysis of

39-53.

the poly(ADP ribose) posttranslational modification, Curr.

22.

Nilov, D.K., Yashina, K.I., Gushchina, I.V., Zakharenko, A.L.,

Opin. Struct. Biol., 53, 187-198.

Sukhanova, M.V., Lavrik, O.I., and Švedas, V.K. (2018)

39.

Langelier, M.F., Zandarashvili, L., Aguiar, P.M., Black, B.E.,

2,5 Diketopiperazines: a new class of poly(ADP

and Pascal, J.M. (2018) NAD⁺ analog reveals PARP 1 sub

ribose)polymerase inhibitors, Biochemistry (Moscow), 83,

strate blocking mechanism and allosteric communication

152-158.

from catalytic center to DNA binding domains, Nat.

23.

Frampton, J.E. (2015) Olaparib: a review of its use as

Commun., 9, 844.

maintenance therapy in patients with ovarian cancer,

40.

Sali, A., and Blundell, T.L. (1993) Comparative protein

BioDrugs, 29, 143-150.

modelling by satisfaction of spatial restraints, J. Mol. Biol.,

24.

Mittica, G., Ghisoni, E., Giannone, G., Genta, S.,

234, 779-815.

Aglietta, M., Sapino, A., and Valabrega, G. (2018) PARP

41.

Menke, M., Berger, B., and Cowen, L. (2008) Matt: local

inhibitors in ovarian cancer, Recent Pat. Anticancer Drug

flexibility aids protein multiple structure alignment, PLoS

Discov., 13, 392-410.

Comput. Biol., 4, e10.

БИОХИМИЯ том 85 вып. 1 2020

124

НИЛОВ и др.

42.

Case, D.A., Berryman, J.T., Betz, R.M., Cerutti, D.S.,

57.

Bell, C.E., and Eisenberg, D. (1996) Crystal structure of

Cheatham, T.E. 3rd, et al. (2015) AMBER 2015. University

diphtheria toxin bound to nicotinamide adenine dinu

of California, San Francisco.

cleotide, Biochemistry, 35, 1137-1149.

43.

Salomon Ferrer, R., Case, D.A., and Walker, R.C. (2013)

58.

Parikh, S.L., and Schramm, V.L. (2004) Transition state

An overview of the Amber biomolecular simulation pack

structure for ADP ribosylation of eukaryotic elongation

age, WIREs Comput. Mol. Sci., 3, 198-210.

factor 2 catalyzed by diphtheria toxin, Biochemistry, 43,

44.

Воеводин В.В., Жуматий С.А., Соболев С.И., Антонов А.С.,

1204-1212.

Брызгалов П.А., Никитенко Д.А., Стефанов К.С., Во

59.

Jørgensen, R., Merrill, A.R., Yates, S.P., Marquez, V.E.,

еводин В.В. (2012) Практика суперкомпьютера «Ло

Schwan, A.L., Boesen, T., and Andersen, G.R. (2005)

моносов», Открытые системы, 7, 36-39.

Exotoxin A-eEF2 complex structure indicates ADP ribo

45.

Maier, J.A., Martinez, C., Kasavajhala, K., Wickstrom, L.,

sylation by ribosome mimicry, Nature, 436, 979-984.

Hauser, K.E., and Simmerling, C.

(2015) ff14SB:

60.

Jørgensen, R., Wang, Y., Visschedyk, D., and Merrill, A.R.

Improving the accuracy of protein side chain and backbone

(2008) The nature and character of the transition state for the

parameters from ff99SB, J. Chem. Theory Comput., 11,

ADP ribosyltransferase reaction, EMBO Rep., 9, 802-809.

3696-3713.

61.

Tsuge, H., Nagahama, M., Oda, M., Iwamoto, S.,

46.

Walker, R.C., de Souza, M.M., Mercer, I.P., Gould, I.R.,

Utsunomiya, H., Marquez, V.E., Katunuma, N.,

and Klug, D.R. (2002) Large and fast relaxations inside a

Nishizawa, M., and Sakurai, J. (2008) Structural basis of

protein: calculation and measurement of reorganization

actin recognition and arginine ADP ribosylation by

energies in alcohol dehydrogenase, J. Phys. Chem. B, 106,

Clostridium perfringens iota toxin, Proc. Natl. Acad. Sci.

11658-11665.

USA, 105, 7399-7404.

47.

Pavelites, J.J., Gao, J., Bash, P.A., and MacKerell, A.D. Jr.

62.

Tsurumura, T., Tsumori, Y., Qiu, H., Oda, M., Sakurai, J.,

(1997) A molecular mechanics force field for NAD⁺,

Nagahama, M., and Tsuge, H. (2013) Arginine ADP ribo

NADH, and the pyrophosphate groups of nucleotides, J.

sylation mechanism based on structural snapshots of

Comput. Chem., 18, 221-239.

iota toxin and actin complex, Proc. Natl. Acad. Sci. USA,

48.

Meagher, K.L., Redman, L.T., and Carlson, H.A. (2003)

110, 4267-4272.

Development of polyphosphate parameters for use with the

63.

Rolli, V., O’Farrell, M., Ménissier de Murcia, J., and de

AMBER force field, J. Comput. Chem., 24, 1016-1025.

Murcia, G. (1997) Random mutagenesis of the poly(ADP

49.

Stroganov, O.V., Novikov, F.N., Stroylov, V.S., Kulkov, V.,

ribose) polymerase catalytic domain reveals amino acids

and Chilov, G.G. (2008) Lead finder: an approach to

involved in polymer branching, Biochemistry,

36,

improve accuracy of protein ligand docking, binding ener

12147-12154.

gy estimation, and virtual screening, J. Chem. Inf. Model.,

64.

Kistemaker, H.A., Overkleeft, H.S., van der Marel, G.A.,

48, 2371-2385.

and Filippov, D.V. (2015) Branching of poly(ADP ribose):

50.

Захаренко А.Л., Суханова М.В., Ходырева С.Н., Но

synthesis of the core motif, Org. Lett., 17, 4328-4331.

виков Ф.Н., Стройлов В.С., Нилов Д.К., Чилов Г.Г.,

65.

Banasik, M., and Ueda, K. (1994) Inhibitors and activators

Швядас В.К., Лаврик О.И. (2011) Усовершенствован

of ADP ribosylation reactions, Mol. Cell. Biochem., 138,

ная процедура поиска потенциальных ингибиторов

185-197.

поли(АДФ рибозо) полимеразы 1 с использованием

66.

Nguewa, P.A., Fuertes, M.A., Cepeda, V., Alonso, C.,

молекулярного докинга, Мол. биология, 45, 565-569.

Quevedo, C., Soto, M., and Pérez, J.M. (2006) Poly(ADP

51.

Humphrey, W., Dalke, A., and Schulten, K. (1996) VMD:

ribose) polymerase 1 inhibitor

3 aminobenzamide

visual molecular dynamics, J. Mol. Graph., 14, 33-38.

enhances apoptosis induction by platinum complexes in

52.

Иванисенко Н.В., Жечев Д.А., Иванисенко В.А.

cisplatin resistant tumor cells, Med. Chem., 2, 47-53.

(2016) Структурное моделирование мод связывания

67.

Zheng, Y.D., Xu, X.Q., Peng, F., Yu, J.Z., and Wu, H.

НАД⁺ с ПАРП 1, Вавиловский журнал генетики и се"

(2011) The poly(ADP ribose) polymerase 1 inhibitor 3

лекции, 20, 857-862.

aminobenzamide suppresses cell growth and migration,

53.

Bellocchi, D., Costantino, G., Pellicciari, R., Re, N.,

enhancing suppressive effects of cisplatin in osteosarcoma

Marrone, A., and Coletti, C. (2006) Poly(ADP ribose)

cells, Oncol. Rep., 25, 1399-1405.

polymerase catalyzed hydrolysis of NAD⁺: QM/MM sim

68.

Нилов Д.К., Тараров В.И., Куликов А.В., Захаренко А.Л.,

ulation of the enzyme reaction, ChemMedChem, 1,

Гущина И.В., Михайлов С.Н., Лаврик О.И., Швядас В.К.

533-539.

(2016) Ингибирование поли(ADP рибозо)полимера

54.

Alemasova, E.E., and Lavrik, O.I. (2019) Poly(ADP ribo

зы метаболитом нуклеиновых кислот 7 метилгуани

syl)ation by PARP1: reaction mechanism and regulatory

ном, Acta Naturae, 8, 120-128.

proteins, Nucleic Acids Res., 47, 3811-3827.

69.

Nilov, D., Kirsanov, K., Antoshina, E., Maluchenko, N.,

55.

Yang, S. Y., Fleurat Lessard, P., Hristov, I., and Ziegler, T.

Feofanov, A., Kurgina, T., Zakharenko, A., Khodyreva, S.,

(2004) Free energy profiles for the identity S_N2 reactions

Gerasimova, N., Studitsky, V., Lavrik, O., and Švedas, V.

Cl^- + CH₃Cl and NH₃ + H₃BNH₃: a constraint ab initio

(2018) 7 Methylguanine: a natural DNA repair inhibitor

molecular dynamics study, J. Phys. Chem. A, 108,

and a promising anticancer compound, FEBS Open Bio, 8,

9461-9468.

P.09 198 W.

56.

Kleine, H., Poreba, E., Lesniewicz, K., Hassa, P.O.,

70.

Maluchenko, N., Nilov, D., Feofanov, A., Lys, A.,

Hottiger, M.O., Litchfield, D.W., Shilton, B.H., and

Kutuzov, M., Gerasimova, N., and Studitsky, V. (2019) 7

Lüscher, B. (2008) Substrate assisted catalysis by PARP10

Methylguanine traps PARP 1 on nucleosomes: spFRET

limits its activity to mono ADP ribosylation, Mol. Cell, 32,

microscopy study, Microsc. Microanal.,

25(S2),

57-69.

1282-1283.

БИОХИМИЯ том 85 вып. 1 2020

МОДЕЛИРОВАНИЕ КОМПЛЕКСОВ ПАРП 1

125

MODELING OF THE ENZYME−SUBSTRATE COMPLEXES

OF HUMAN POLY(ADP RIBOSE) POLYMERASE 1*^,**

D. K. Nilov^1#, S. V. Pushkarev^2#, I. V. Gushchina²,

G. A. Manasaryan³, K. I. Kirsanov⁴, and V. K. Švedas^1,2*

¹ Belozersky Institute of Physico"Chemical Biology, Lomonosov Moscow State University,

119991 Moscow, Russia; E"mail: vytas@belozersky.msu.ru

² Lomonosov Moscow State University, Faculty of Bioengineering and Bioinformatics, 119991 Moscow, Russia

³ Lomonosov Moscow State University, Faculty of Fundamental Medicine, 119991 Moscow, Russia

⁴ Blokhin National Medical Research Center of Oncology, Institute of Carcinogenesis, 115478 Moscow, Russia

Received August 19, 2019

Revised October 16, 2019

Accepted October 16, 2019

Poly(ADP ribose) polymerase 1 (PARP 1) is a key DNA repair enzyme and an important target for cancer treatment.

Conventional methods of studying the PARP 1 reaction mechanism have limitations because of the complex struc

ture of PARP 1 substrates, however, the necessary data can be obtained by molecular modeling. In the present work,

a molecular dynamics model for the PARP 1 enzyme-substrate complex containing NAD⁺ molecule, and the end

of poly(ADP ribose) chain in the form of ADP molecule was obtained for the first time. Interactions with the active

site residues have been characterized where Gly863, Lys903, Glu988 play a crucial role, and an S_N1 like mechanism

for the enzymatic ADP ribosylation reaction has been proposed. Models of PARP 1 complexes with more sophisti

cated two unit fragments of the growing polymer chain as well as with competitive inhibitors 3 aminobenzamide and

7 methylguanine have been obtained by molecular docking.

Keywords: DNA repair, molecular dynamics, docking, substrates, inhibitors

БИОХИМИЯ том 85 вып. 1 2020