综述：超越RNA/DNA：探索聚（ADP-核糖）的新兴作用：结构、功能与凝聚体形成

《Frontiers in Biophysics》：Beyond RNA/DNA: exploring the emerging role of Poly(ADP-ribose): structure, function, and condensate formation

　　

聚（ADP-核糖）(PAR)是一种由酶响应DNA损伤而合成的类RNA同聚物。越来越多的证据表明，PAR参与多种细胞过程，在多种情况下通过促进或调节生物分子凝聚体的形成来实现。虽然凝聚体的形成已被牵涉到多种PAR依赖的细胞功能中，例如DNA修复、应激颗粒组装和染色质重塑，但其在特定细胞过程中的必需程度仍是一个活跃的研究领域。作为固有无序蛋白(IDPs)的支架，PAR被提出与RNA和DNA竞争以介导这些功能。本综述强调了PAR与核酸之间的关键差异，阐明了为何PAR可能是一种特别有效的支架。我们将PAR的结构与核酸进行比较，并考察影响PAR结构及其凝聚体形成的理化因素。此外，我们强调了在实验和计算上研究PAR所面临的挑战。最后，我们探讨了PAR作为药物靶点的潜力，并总结了旨在进一步理解其分子特性、凝聚体形成原理及其治疗潜力的未来研究方向。

功能作用

DNA损伤修复与染色质重塑

在DNA损伤修复过程中，PARP酶在断裂位点被迅速激活并合成PAR链。PAR的多价特性使其能够高效地招募并富集DNA修复蛋白，如THRAP3和FET家族蛋白（FUS、EWS和TAF15）至损伤灶，促进修复复合物的组装。实验研究表明，PAR充当分子种子，触发FET家族蛋白的相分离，其招募和凝聚以PAR依赖的方式发生。活细胞成像显示，PAR介导的组装表现出分子选择性，优先招募特定蛋白，同时排除如MDC1、53BP1、Ku70和NBS1等其他蛋白，表明PAR可能作为分子筛，在DNA修复灶富集特定修复蛋白。体外研究显示PAR通过多价静电相互作用促进FUS凝聚，且PARP1-DNA共凝聚体能稳定断裂的DNA末端，促进PAR合成并将FUS招募至这些凝聚体中。

关于PAR如何与DNA或RNA竞争结合核酸相关蛋白，研究表明PAR对多价离子比RNA或DNA更敏感，能在低近一个数量级的二价离子浓度下发生结构转变。IDRs富含带电和多价残基，可能类似多价阳离子介导静电相互作用，因此PAR可能对含IDR的蛋白响应更强，从而与核酸竞争蛋白结合。此外，高浓度PAR通过PAR与组蛋白尾部的相互作用促进不可逆的核小体解折叠。由于PAR具有更高的电荷含量和对多价相互作用的更高敏感性，它能比DNA更有效地与组蛋白结合，这种优先结合被提出可促进组蛋白从DNA上瞬时置换，即所谓的组蛋白穿梭，诱导局部染色质去浓缩。然而，关于游离PAR和组蛋白PARylation在DNA修复染色质重塑中的相对贡献仍是一个未解问题。

mRNA代谢

PARP蛋白和PARylation调控mRNA代谢的多个步骤。在转录起始水平，PARylation通过松弛染色质结构促进转录开始。在转录延伸过程中，PARP1通过PARylation负延伸因子（NELF）复合物组分，促进其从RNA聚合酶II（RNAP II）和新生mRNA上释放，允许有效延伸。PARP1还通过结合外显子-内含子连接处，桥接染色质与新生mRNA，并招募特定剪接因子来调控选择性剪接。在转录后，PARP1通过PARylation多聚腺苷酸聚合酶（PAP），促使其从pre-mRNA释放并降低多聚腺苷酸化效率。最后，PARP1通过与THO/TREX复合物组分相互作用并进行PARylation，调控mRNA的核输出。

核仁组织与核糖体生物发生

约50%的PARP蛋白定位于核仁。在低等真核生物如芽殖酵母中，缺乏FC和DFC的双联核心结构，且这些生物的核仁中也缺乏PAR，提示PAR可能有助于建立或维持FC和DFC区域的分离。在果蝇核仁中的研究表明，抑制PAR合成会导致核仁解体并损害rRNA加工。PAR富集于DFC，可能促进关键核仁蛋白如核磷蛋白、纤维蛋白和核仁蛋白在不同核糖体生物发生阶段的招募。PAR在核仁组织中的优势可能源于PAR-蛋白相互作用的瞬态和动态特性，体外研究显示PAR-蛋白相互作用高度动态并促进液态凝聚体形成，而RNA-蛋白相互作用相对动态性较低，倾向于形成更固态的组装体。

应激颗粒组装

PAR在应激颗粒（SGs）的组装中发挥重要作用。PARylation调控SGs的组装、解聚及分子组成。PAR和RNA通常通过静电相互作用与RNA结合蛋白（RBPs）互作。模拟研究表明，在二价离子存在下，涉及RNA的静电相互作用比PAR持续更长尺度，PAR的较短相互作用范围可能使其优先招募直接参与SG形成的邻近蛋白。实验显示PAR结合G3BP1的无序精氨酸-甘氨酸富集区，促进其定位至特定细胞质位点。在应激条件下，TDP-43转位至细胞质并与PAR形成共聚焦点。PAR水平降低会破坏hnRNPA1的正确定位并可能导致SG解体，而高PAR水平则促进TDP-43和hnRNPA1的共凝聚，这与神经元细胞毒性相关。此外，PAR还能调节SGs的物质特性，SGs内PAR的过度积累可降低其内部动力学并促进更稳定的病理性聚集体的形成。

PAR结构的异质集合

挑战

生物分子的功能与其结构密切相关。PAR的构象异质性使其结构表征困难，传统实验工具往往不足以探测这种无序性。然而，小角X射线散射（SAXS）、荧光共振能量转移（FRET）、原子力显微镜（AFM）和核磁共振（NMR）光谱等技术的进展已能更好地表征PAR结构。计算机模拟是补充方法，但传统全原子模拟面临缺乏针对PAR特殊拓扑结构的良好参数化力场以及采样困难等挑战。粗粒化（CG）模拟通过减少自由度和平滑自由能景观，为研究PAR构象特性提供了有前景的工具。

结构特征

PAR结构受链长、分支结构和离子环境强烈影响。圆二色光谱表明PAR缺乏明确的二级结构，呈现延伸的无序无规卷曲样构象。NMR研究显示PAR中腺嘌呤碱基主要采用反式构象，这种拓扑不利于核酸中常见的碱基堆积和氢键相互作用。SAXS建模和计算机模拟表明PAR中的碱基堆积要么不存在，要么发生概率极低。因此，尽管含有能形成堆积相互作用的腺嘌呤碱基，PAR并不呈现多聚腺苷酸（poly(rA)）或多聚脱氧腺苷酸（poly(dA)）特征的堆积或弱螺旋结构。

影响PAR结构的理化因素

聚合物长度

PAR长度在细胞中变化范围很大，通常为2至约200个ADP-核糖单位。SAXS实验和CG模拟揭示PAR经历长度依赖的线圈到球状转变，短PAR链通常呈延伸构象，中等长度链呈无规线圈，较长链形成紧凑球状结构。这种结构转变由离子介导的桥接驱动。PAR长度的差异可能影响其功能，许多蛋白与PAR的相互作用强烈依赖其长度。例如，DEK与较长PAR链形成稳定复合物，但与短链无相互作用；p53与长链形成三种不同复合物。这表明特定长度的PAR可选择性地招募不同蛋白集合，PARylation可能通过链长调控蛋白在DNA损伤位点的时序招募。体外研究表明，形成凝聚体需要最小PAR长度（≥5个ADP-核糖单位），增加PAR长度可增强凝聚体组装，中等长度PAR形成的凝聚体通常是动态的液态，而较长PAR链（≥32个单位）倾向于形成更固态的聚集体。

分支模式

PAR也可以分支聚合物的形式存在，分支大约每20-50个ADP-核糖单位发生一次，形成独特的星形拓扑结构。分支PAR可能作为更有效的支架，由于其增加的多价性能够同时招募多个蛋白。分支点可作为特定蛋白的识别基序，如组蛋白伴侣APLF特异性识别并结合PAR分支点。PAR分支可能影响凝聚体的动力学和物质特性，超分支PAR更能促进蛋白相分离，但可能导致动态性较低、更固态的凝聚体，可能转变为病理性聚集体。此外，超分支PAR被PARG酶降解的效率较低，使其比线性PAR更稳定。

多价离子

PAR是一种高电荷聚电解质，其理化行为受与周围离子相互作用的强烈影响。单分子FRET实验显示，在一价盐条件下，PAR比RNA或DNA更刚硬且柔韧性更低。多价阳离子如Mg²⁺、Ca²⁺和多胺能诱导从延伸到紧凑状态的高度协同转变，转变浓度显著低于一价离子。CG模拟表明PAR对多价离子表现出增强的敏感性，临界浓度比RNA低一个数量级。在分子水平上，RNA沿其骨架呈现相对均匀的电荷分布，主要以弥散方式与离子相互作用，而PAR含有成簇的磷酸基团，促进局部直接离子结合和长程离子介导的桥接相互作用。离子身份进一步调节这些效应，Ca²⁺通常比Mg²⁺促进更强的凝聚。这些独特的离子响应特性表明PAR可作为生物分子凝聚体形成的有效支架。

温度

越来越多的证据表明RNA和DNA可表现出热响应相行为，在多价离子存在下，相分离随温度升高而增强，即所谓的最低临界溶解温度（LCST）现象，这归因于离子去溶剂化。鉴于PAR和RNA的化学相似性，PAR也可能表现出LCST行为，但目前缺乏直接检验PAR凝聚温度依赖性的实验研究，是未来研究的重要领域。

治疗潜力

PAR在细胞生理中发挥双重作用。在轻度DNA损伤下，PAR有助于DNA修复和细胞保护。然而，严重损伤诱导过度PAR合成或超PARylation，消耗大量NAD⁺，导致ATP耗竭，最终触发称为parthanatos的调节性细胞死亡途径。PARP抑制剂已成为靶向癌症治疗药物，其机制基于合成致死性。此外，异常PAR积累与神经退行性疾病有关，过量PAR促进疾病相关蛋白如α-突触核蛋白、TDP-43、FUS和hnRNPA1的聚集，形成病理性包涵体。新兴治疗策略寻求将PARP抑制剂与其他调节DNA损伤反应的药物相结合。

未来方向

尽管已有大量生化研究，PAR的生物物理研究仍相对有限。许多重要问题仍未解答：分支结构如何影响PAR结构组织和特定结合蛋白的特异性；序列长度和离子相互作用如何共同控制PAR凝聚体的涌现物质特性；温度、pH和大分子拥挤等细胞环境因素如何调节这些特性；PAR驱动的凝聚体与RNA凝聚体在形成机制、结构、动力学、物质特性及微环境理化性质方面的差异；能否合理设计具有确定长度和分支结构的PAR凝聚体以选择性招募治疗分子；以及混合PAR-RNA凝聚体是否表现出单一组分无法获得的涌现特性。回答这些问题对于建立PAR驱动相行为的预测性机制框架至关重要。