vavilovВавиловский журнал генетики и селекцииVavilov Journal of Genetics and Breeding2500-3259Institute of Cytology and Genetics of Siberian Branch of the RAS10.18699/vjgb-24-77vavilov-4342Research ArticleМОЛЕКУЛЯРНАЯ И КЛЕТОЧНАЯ БИОЛОГИЯMOLECULAR AND CELL BIOLOGYСравнительный анализ первичной структуры и получение рекомбинантной поли(ADP-рибоза)полимеразы 1 долгоживущего Heterocephalus glaberComparative analysis of the primary structure and production of recombinant poly(ADP-ribose)polymerase 1 of long-lived Heterocephalus glaberhttps://orcid.org/0000-0001-7407-3198НауменкоК. Н.NaumenkoK. N.

Новосибирск

Novosibirsk

https://orcid.org/0000-0002-0553-1316НурисламовА. Р.NurislamovA. R.

Новосибирск

Novosibirsk

НазаровК. Д.NazarovK. D.

Новосибирск

Novosibirsk

https://orcid.org/0000-0002-5573-3100ФишманВ. С.FishmanV. S.

Новосибирск

Novosibirsk

https://orcid.org/0000-0003-3530-5229ПоповА. А.PopovA. A.

Новосибирск

Novosibirsk

https://orcid.org/0000-0002-0424-1974ПетрусеваИ. О.PetrusevaI. O.

Новосибирск

Novosibirsk

ЕвдокимовА. Н.EvdokimovA. N.

Новосибирск,

Novosibirsk

https://orcid.org/0000-0001-5980-8889ЛаврикО. И.LavrikO. I.

Новосибирск

Novosibirsk

lavrik@niboch.nsc.ruИнститут химической биологии и фундаментальной медицины Сибирского отделения Российской академии наукРоссияInstitute of Chemical Biology and Fundamental Medicine of the Siberian Branch of the Russian Academy of SciencesRussian FederationФедеральный исследовательский центр, Институт цитологии и генетики Сибирского отделения Российской академии наукРоссияInstitute of Cytology and Genetics of the Siberian Branch of the Russian Academy of SciencesRussian FederationИнститут химической биологии и фундаментальной медицины Сибирского отделения Российской академии наук; Новосибирский национальный исследовательский государственный университетРоссияInstitute of Chemical Biology and Fundamental Medicine of the Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences; Novosibirsk State UniversityRussian Federation202421112024287688695Copyright © Науменко К.Н., Нурисламов А.Р., Назаров К.Д., Фишман В.С., Попов А.А., Петрусева И.О., Евдокимов А.Н., Лаврик О.И., 20242024Науменко К.Н., Нурисламов А.Р., Назаров К.Д., Фишман В.С., Попов А.А., Петрусева И.О., Евдокимов А.Н., Лаврик О.И.Naumenko K.N., Nurislamov A.R., Nazarov K.D., Fishman V.S., Popov A.A., Petruseva I.O., Evdokimov A.N., Lavrik O.I.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://vavilov.elpub.ru/jour/article/view/4342

Репарация ДНК – важнейший клеточный процесс, который способствует поддержанию целостности генома. В настоящее время эффективная работа систем репарации ДНК рассматривается исследователями как один из ключевых факторов, определяющих максимальную продолжительность жизни. Центральным регулятором процесса репарации ДНК является фермент поли(ADP-рибоза)полимераза 1 (PARP1), способный синтезировать полимер поли(ADP-рибозы) (PAR) в ответ на повреждение ДНК и присоединять его к белкаммишеням, в число которых входит и сам PARP1, осуществляя тем самым посттрансляционную модификацию этих белков и регулируя их сродство к ДНК. PARP1 принимает участие и во многих других процессах, ассоциированных с клеточным старением, таких как поддержание целостности теломер и развитие воспалительной реакции. Свойства PARP1 как изолированного белка практически не исследовались у млекопитающих, которые демонстрируют высокую максимальную продолжительность жизни, за исключением человека. Одним из перспективных объектов таких исследований считается голый землекоп (Heterocephalus glaber), имеющий экстремально высокую максимальную продолжительность жизни, а также более эффективно функционирующие системы репарации ДНК, которые обеспечивают высокую устойчивость его клеток к воздействию ряда генотоксических агентов, по сравнению с другими мелкими грызунами, например, близкой по размеру и массе тела мышью (Mus musculus). В настоящей работе проведено сравнение аминокислотной последовательности PARP1 голого землекопа с аминокислотными последовательностями белков-ортологов других млекопитающих. В отличие от PARP1 человека, в аминокислотной последовательности PARP1 голого землекопа выявлено 13 эволюционно консервативных аминокислотных замен в различных функциональных доменах белка. С использованием поиска в базах данных последовательности кДНК гена Parp1 голого землекопа и последующего анализа путем выравнивания транскриптомных данных выбрана соответствующая экспрессируемому варианту Parp1 последовательность кДНК, которая была клонирована с помощью экспрессионного вектора на основе плазмиды pLate31. В результате экспрессии в штамме Escherichia coli BL21(DE3)GeneX и очистки, проведенной с использованием трех хроматографических стадий, впервые был получен и охарактеризован функционально активный фермент PARP1 голого землекопа.

DNA repair is a most important cellular process that helps maintain the integrity of the genome and is currently considered by researchers as one of the factors determining the maximum lifespan. The central regulator of the DNA repair process is the enzyme poly(ADP-ribose)polymerase 1 (PARP1). PARP1 catalyzes the synthesis of poly(ADPribose) polymer (PAR) upon DNA damage using nicotinamide adenine dinucleotide (NAD+) as a substrate. This polymer covalently attaches to PARP1, which leads to its dissociation from the complex with damaged DNA and stimulation of the repair process. Despite intensive research on PARP1, its properties as an isolated protein have not been practically studied in mammals that demonstrate a long maximum lifespan, such as, for example, the naked mole rat (Heterocephalus glaber). High activity of DNA repair systems is observed in the cells of the naked mole rat, which ensures their high resistance to oxidative stress, as well as to genotoxic effects. The revealed features may be due to the high activity of PARP1 in the cells of the naked mole rat; however, this issue remains poorly understood and, thus, requires more detailed research, including one with the use of isolated protein PARP1 of the naked mole rat, the isolation and characterization of which have not been carried out before. In the present work, the amino acid sequence of PARP1 of the naked mole rat is compared with the amino acid sequences of orthologous proteins of other mammals. In contrast to human PARP1, 13 evolutionarily conservative amino acid substitutions in various functional domains of the protein have been identified in the amino acid sequence of naked mole rat PARP1. Using the cDNA of the naked mole rat’s Parp1 gene, a vector was created for the expression of the target protein in Escherichia coli cell culture. For the first time, a detailed description of the procedure for the expression and purification of the recombinant protein PARP1 of the long-lived naked mole rat is presented. In addition, poly(ADP-ribose)polymerase activity of the obtained protein was evaluated. The results presented in this paper are the basis for further detailed characterization of the properties of purified recombinant naked mole rat PARP1.

поли(ADP-рибоза)полимераза 1репарация ДНКHeterocephalus glaberpoly(ADP-ribose)polymerase 1DNA repairHeterocephalus glaberThe work was carried out with the financial support of the RSF (project No. 19-74-10056P)ReferencesAlemasova E.E., Lavrik O.I. Poly(ADP-ribose) in condensates: the partnership of phase separation and site-specific interactions. Int. J. Mol. Sci. 2022;23(22):14075. DOI 10.3390/ijms232214075Alemasova E.E., Lavrik O.I. Poly(ADP-ribose) in condensates: the partnership of phase separation and site-specific interactions. Int. J. Mol. Sci. 2022;23(22):14075. DOI 10.3390/ijms232214075Beneke S., Alvarez-Gonzalez R., Bürkle A. Comparative characterisation of poly(ADP-ribose) polymerase-1 from two mammalian species with different life span. Exp. Gerontol. 2000;35(8):989-1002. DOI 10.1016/s0531-5565(00)00134-0Beneke S., Alvarez-Gonzalez R., Bürkle A. Comparative characterisation of poly(ADP-ribose) polymerase-1 from two mammalian species with different life span. Exp. Gerontol. 2000;35(8):989-1002. DOI 10.1016/s0531-5565(00)00134-0Beneke S., Scherr A.L., Ponath V., Popp O., Bürkle A. Enzyme characteristics of recombinant poly(ADP-ribose) polymerases-1 of rat and human origin mirror the correlation between cellular poly(ADPribosyl)ation capacity and species-specific life span. Mech. Ageing Dev. 2010;131(5):366-369. DOI 10.1016/j.mad.2010.04.003Beneke S., Scherr A.L., Ponath V., Popp O., Bürkle A. Enzyme characteristics of recombinant poly(ADP-ribose) polymerases-1 of rat and human origin mirror the correlation between cellular poly(ADPribosyl)ation capacity and species-specific life span. Mech. Ageing Dev. 2010;131(5):366-369. DOI 10.1016/j.mad.2010.04.003Bens M., Sahm A., Groth M., Jahn N., Morhart M., Holtze S., Hildebrandt T.B., Platzer M., Szafranski K. FRAMA: from RNA-seq data to annotated mRNA assemblies. BMC Genomics. 2016;17:54. DOI 10.1186/s12864-015-2349-8Bens M., Sahm A., Groth M., Jahn N., Morhart M., Holtze S., Hildebrandt T.B., Platzer M., Szafranski K. FRAMA: from RNA-seq data to annotated mRNA assemblies. BMC Genomics. 2016;17:54. DOI 10.1186/s12864-015-2349-8Bilkis R., Lake R.J., Cooper K.L., Tomkinson A., Fan H.Y. The CSB chromatin remodeler regulates PARP1- and PARP2-mediated singlestrand break repair at actively transcribed DNA regions. Nucleic Acids Res. 2023;51(14):7342-7356. DOI 10.1093/nar/gkad515Bilkis R., Lake R.J., Cooper K.L., Tomkinson A., Fan H.Y. The CSB chromatin remodeler regulates PARP1- and PARP2-mediated singlestrand break repair at actively transcribed DNA regions. Nucleic Acids Res. 2023;51(14):7342-7356. DOI 10.1093/nar/gkad515Buffenstein R. The naked mole-rat: a new long-living model for human aging research. J. Gerontol. A Biol. Sci. Med. Sci. 2005;60(11): 1369-1377. DOI 10.1093/gerona/60.11.1369Buffenstein R. The naked mole-rat: a new long-living model for human aging research. J. Gerontol. A Biol. Sci. Med. Sci. 2005;60(11): 1369-1377. DOI 10.1093/gerona/60.11.1369Evdokimov A., Kutuzov M., Petruseva I., Lukjanchikova N., Kashina E., Kolova E., Zemerova T., Romanenko S., Perelman P., Prokopov D., Seluanov A., Gorbunova V., Graphodatsky A., Trifonov V., Khodyreva S., Lavrik O. Naked mole rat cells display more efficient excision repair than mouse cells. Aging (Albany NY). 2018;10(6): 1454-1473. DOI 10.18632/aging.101482Evdokimov A., Kutuzov M., Petruseva I., Lukjanchikova N., Kashina E., Kolova E., Zemerova T., Romanenko S., Perelman P., Prokopov D., Seluanov A., Gorbunova V., Graphodatsky A., Trifonov V., Khodyreva S., Lavrik O. Naked mole rat cells display more efficient excision repair than mouse cells. Aging (Albany NY). 2018;10(6): 1454-1473. DOI 10.18632/aging.101482Evdokimov A., Popov A., Ryabchikova E., Koval O., Romanenko S., Trifonov V., Petruseva I., Lavrik I., Lavrik O. Uncovering molecular mechanisms of regulated cell death in the naked mole rat. Aging (Albany NY). 2021;13(3):3239-3253. DOI 10.18632/aging.202577Evdokimov A., Popov A., Ryabchikova E., Koval O., Romanenko S., Trifonov V., Petruseva I., Lavrik I., Lavrik O. Uncovering molecular mechanisms of regulated cell death in the naked mole rat. Aging (Albany NY). 2021;13(3):3239-3253. DOI 10.18632/aging.202577Gorbunova V., Seluanov A., Zhang Z., Gladyshev V.N., Vijg J. Comparative genetics of longevity and cancer: insights from long-lived rodents. Nat. Rev. Genet. 2014;15(8):531-540. DOI 10.1038/nrg3728Gorbunova V., Seluanov A., Zhang Z., Gladyshev V.N., Vijg J. Comparative genetics of longevity and cancer: insights from long-lived rodents. Nat. Rev. Genet. 2014;15(8):531-540. DOI 10.1038/nrg3728Grube K., Bürkle A. Poly(ADP-ribose) polymerase activity in mononuclear leukocytes of 13 mammalian species correlates with speciesspecific life span. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 1992;89(24):11759- 11763. DOI 10.1073/pnas.89.24.11759Grube K., Bürkle A. Poly(ADP-ribose) polymerase activity in mononuclear leukocytes of 13 mammalian species correlates with speciesspecific life span. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 1992;89(24):11759- 11763. DOI 10.1073/pnas.89.24.11759Leung A.K.L. Poly(ADP-ribose): a dynamic trigger for biomolecular condensate formation. Trends Cell Biol. 2020;30(5):370-383. DOI 10.1016/j.tcb.2020.02.002Leung A.K.L. Poly(ADP-ribose): a dynamic trigger for biomolecular condensate formation. Trends Cell Biol. 2020;30(5):370-383. DOI 10.1016/j.tcb.2020.02.002López-Otín C., Pietrocola F., Roiz-Valle D., Galluzzi L., Kroemer G. Meta-hallmarks of aging and cancer. Cell Metab. 2023;35(1):12-35. DOI 10.1016/j.cmet.2022.11.001.5López-Otín C., Pietrocola F., Roiz-Valle D., Galluzzi L., Kroemer G. Meta-hallmarks of aging and cancer. Cell Metab. 2023;35(1):12-35. DOI 10.1016/j.cmet.2022.11.001.5MacRae S.L., Croken M.M., Calder R.B., Aliper A., Milholland B., White R.R., Zhavoronkov A., Gladyshev V.N., Seluanov A., Gorbunova V., Zhang Z.D., Vijg J. DNA repair in species with extreme lifespan differences. Aging (Albany NY). 2015;7(12):1171-1184. DOI 10.18632/aging.100866MacRae S.L., Croken M.M., Calder R.B., Aliper A., Milholland B., White R.R., Zhavoronkov A., Gladyshev V.N., Seluanov A., Gorbunova V., Zhang Z.D., Vijg J. DNA repair in species with extreme lifespan differences. Aging (Albany NY). 2015;7(12):1171-1184. DOI 10.18632/aging.100866Rouleau-Turcotte É., Pascal J.M. ADP-ribose contributions to genome stability and PARP enzyme trapping on sites of DNA damage; paradigm shifts for a coming-of-age modification. Biol. Chem. 2023; 299(12):105397. DOI 10.1016/j.jbc.2023.105397Rouleau-Turcotte É., Pascal J.M. ADP-ribose contributions to genome stability and PARP enzyme trapping on sites of DNA damage; paradigm shifts for a coming-of-age modification. Biol. Chem. 2023; 299(12):105397. DOI 10.1016/j.jbc.2023.105397Salmon A.B., Sadighi Akha A.A., Buffenstein R., Miller R.A. Fibroblasts from naked mole-rats are resistant to multiple forms of cell injury, but sensitive to peroxide, ultraviolet light, and endoplasmic reticulum stress. J. Gerontol. A Biol. Sci. Med. Sci. 2008;63(3):232- 241. DOI 10.1093/gerona/63.3.232Salmon A.B., Sadighi Akha A.A., Buffenstein R., Miller R.A. Fibroblasts from naked mole-rats are resistant to multiple forms of cell injury, but sensitive to peroxide, ultraviolet light, and endoplasmic reticulum stress. J. Gerontol. A Biol. Sci. Med. Sci. 2008;63(3):232- 241. DOI 10.1093/gerona/63.3.232Schumacher B., Pothof J., Vijg J., Hoeijmakers J.H.J. The central role of DNA damage in the ageing process. Nature. 2021;592(7856): 695-703. DOI 10.1038/s41586-021-03307-7Schumacher B., Pothof J., Vijg J., Hoeijmakers J.H.J. The central role of DNA damage in the ageing process. Nature. 2021;592(7856): 695-703. DOI 10.1038/s41586-021-03307-7Singatulina A.S., Hamon L., Sukhanova M.V., Desforges B., Joshi V., Bouhss A., Lavrik O.I., Pastré D. PARP-1 activation directs FUS to DNA damage sites to form PARG-reversible compartments enriched in damaged DNA. Cell Rep. 2019;27(6):1809-1821.e5. DOI 10.1016/j.celrep.2019.04.031Singatulina A.S., Hamon L., Sukhanova M.V., Desforges B., Joshi V., Bouhss A., Lavrik O.I., Pastré D. PARP-1 activation directs FUS to DNA damage sites to form PARG-reversible compartments enriched in damaged DNA. Cell Rep. 2019;27(6):1809-1821.e5. DOI 10.1016/j.celrep.2019.04.031Sinha S., Molla S., Kundu C.N. PARP1-modulated chromatin remodeling is a new target for cancer treatment. Med. Oncol. 2021;38(10): 118. DOI 10.1007/s12032-021-01570-2Sinha S., Molla S., Kundu C.N. PARP1-modulated chromatin remodeling is a new target for cancer treatment. Med. Oncol. 2021;38(10): 118. DOI 10.1007/s12032-021-01570-2Sukhanova M.V., Khodyreva S.N., Lavrik O.I. Poly(ADP-ribose) polymerase-1 inhibits strand-displacement synthesis of DNA catalyzed by DNA polymerase beta. Biochemistry (Moscow). 2004;69(5):558- 568. DOI 10.1023/b:biry.0000029855.68502.fa.Sukhanova M.V., Khodyreva S.N., Lavrik O.I. Poly(ADP-ribose) polymerase-1 inhibits strand-displacement synthesis of DNA catalyzed by DNA polymerase beta. Biochemistry (Moscow). 2004;69(5):558- 568. DOI 10.1023/b:biry.0000029855.68502.fa.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.