潛在性藥物靶點(diǎn)PARP16的研究進(jìn)展*

吳見樂 盧小路 邊水根 朱金妹 張 進(jìn) 江 峰* 李 健*

（1）贛南醫(yī)學(xué)院康復(fù)學(xué)院，贛州341000；2）贛南醫(yī)學(xué)院藥學(xué)院，贛州341000；3）贛南醫(yī)學(xué)院第一附屬醫(yī)院，贛州341000；4）大余縣人民醫(yī)院，贛州341500；5）南昌大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院，南昌330031）

PARP16（也稱為diphtheria toxin-like ART15，ARTD15）是單ADP-核糖基轉(zhuǎn)移酶［1］，其功能是通過對底物NAD+催化，然后將單個(gè)ADP-核糖轉(zhuǎn)移到靶蛋白的特定氨基酸殘基上［2］。PARP16 可以通過對靶蛋白修飾，改變其生物活性，參與機(jī)體內(nèi)許多細(xì)胞的調(diào)節(jié)，從而影響癌癥、囊性纖維化、心血管疾病等的發(fā)生與發(fā)展。近年來針對PARP16的小分子抑制劑不斷出現(xiàn)，表明PARP16作為一個(gè)潛在性的藥物靶點(diǎn)已經(jīng)成為研究熱點(diǎn)。本文主要綜述PARP16 目前已解析的結(jié)構(gòu)、相關(guān)疾病以及已有的小分子抑制劑，展望PARP16作為潛在藥物靶點(diǎn)的未來發(fā)展方向。

1 PARP16的催化結(jié)構(gòu)域

PARP16 與聚腺苷二磷酸核糖聚合酶（poly（adenosinediphosphate-ribose） polymerase，PARP）家族的其他成員相比，有兩個(gè)明顯不同的特征：a.PARP16 是位于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的膜錨定蛋白；b.它是唯一已知有C端跨膜區(qū)和N端胞質(zhì)催化結(jié)構(gòu)域的家族成員［1，3］。作為已發(fā)現(xiàn)的PARP 家族成員中分子質(zhì)量最小的一員，PARP16 含有322 個(gè)氨基酸。其N端區(qū)域（氨基酸1～280）位于細(xì)胞質(zhì)，C 端尾部（氨 基 酸300～322） 位 于 內(nèi) 質(zhì) 網(wǎng) 腔 跨 膜 區(qū)［3］。Karlberg 等［2］解析了PARP16 的晶體結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)表明PARP16 的N 端催化結(jié)構(gòu)域是由6 個(gè)α 螺旋形成的不規(guī)則束狀結(jié)構(gòu)，與其他PARP家族成員的催化結(jié)構(gòu)域氨基酸序列同源性不高。在結(jié)構(gòu)上PARP16由3 個(gè)部分組成，分別為螺旋結(jié)構(gòu)域（helical domain，HD；氨基酸5～91）、ADP-核糖基轉(zhuǎn)移酶催化結(jié)構(gòu)域（ADP-ribosyltransferase，ART；氨基酸94～279） 以 及 跨 膜 區(qū)（transmembrane motif，TM；氨基酸288～308）［2］（圖1a）。大多數(shù)PARP家族成員的ART 結(jié)構(gòu)域中有一個(gè)與煙酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD+）的結(jié)合位點(diǎn)，叫做組氨酸-酪氨酸-谷氨酸（H-Y-E）基序，而PARP16 的H-Y-E 基序中沒有谷氨酸（E），與NAD+的結(jié)合位點(diǎn)是組氨酸H152，酪氨酸Y182 和Y254［2，4］。研究發(fā)現(xiàn)，PARP家族成員中多ADP-核糖基轉(zhuǎn)移酶的HD有參與到與NAD+的結(jié)合過程中，比如PARP1/2/3的HD靠近其ART 結(jié)合位點(diǎn)并且在其上方，從而阻止與NAD+的結(jié)合［5-7］。Karlberg 等［2］解析的PARP16 晶體結(jié)構(gòu)表明，PARP16的HD不靠近NAD+的結(jié)合位點(diǎn)，因此他們提出了兩個(gè)關(guān)于HD 可能參與到NAD+結(jié)合的過程：a.PARP16 ART 中α2 和β3 鏈的氨基酸（Y193、Ⅰ208）與PARP16 HD的α2′鏈氨基酸之間形成的疏水作用，從而影響其與NAD+的結(jié)合；b.PARP16 HD 中的α2′鏈氨基酸與ART 中的環(huán)-螺旋-環(huán)基序通過疏水作用堆積在ART的α1鏈，從而影響二者的結(jié)合。

Fig.1 Structure of PARP16圖1 PARP16的結(jié)構(gòu)

2 PARP16的功能與其所介導(dǎo)的相關(guān)疾病

PARP 家族成員的主要功能是將細(xì)胞中NAD+的ADP-核糖轉(zhuǎn)移到靶蛋白的氨基酸殘基上，其連接方式主要是通過酯鍵。一般來說，將轉(zhuǎn)移一個(gè)ADP-核糖的PARP 家族成員稱為單ADP-核糖基轉(zhuǎn)移酶，轉(zhuǎn)移多個(gè)相同的ADP-核糖形成聚腺苷二磷酸核糖（Poly（ADP-ribose）PAR）鏈稱為多ADP-核糖轉(zhuǎn)移基轉(zhuǎn)移酶［8-10］。而PARP16屬于單ADP-核糖基轉(zhuǎn)移酶，可將內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激信號傳給NAD+，與NAD+的結(jié)合位點(diǎn)是由其催化結(jié)構(gòu)域中的H152、Y182 和Y254 構(gòu)成［2］。PARP16 的C 端是發(fā)揮上述功能所必要的，它可以將信號轉(zhuǎn)移到胞質(zhì)催化結(jié)構(gòu)域，然后再傳導(dǎo)給下游信號分子［1］。與其他單ADP-核糖基轉(zhuǎn)移酶不同，PARP16 并不是將ADP-核糖轉(zhuǎn)移到靶蛋白的精氨酸或半胱氨酸殘基［3］，其靶蛋白的特定氨基酸主要是天冬氨酸（D）、谷氨酸及酪氨酸［8］。PARP16 可以激活由內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激下引起的未折疊蛋白反應(yīng)（unfolded protein response，UPR）的兩個(gè)壓力傳感器：蛋白激酶R樣內(nèi)質(zhì)網(wǎng)激酶（PERK） 和肌醇需求酶1α（ⅠRE1α）［1］。通過對其ADP-核糖基化使葡萄糖調(diào)節(jié)蛋白78（GPR78/BiP）從內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔內(nèi)分離，從而使PERK 和ⅠRE1α 發(fā)生磷酸化［11-12］。同時(shí)PARP16還參與對核轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白β1（Kapβ1）、血管內(nèi)皮生長因子（VEGF）、血管緊張素ⅠⅠ（AngⅠⅠ）的單ADP-核糖基化［13-15］。通過對上述靶蛋白的修飾，PARP16參與了腫瘤、高血壓等疾病的發(fā)生與發(fā)展。

2.1 PARP16與癌癥等疾病密切相關(guān)

越來越多的證據(jù)表明，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激是調(diào)節(jié)多種癌癥的關(guān)鍵因素之一，其中ⅠER1α和PERK分別參與乳腺癌、肝癌和大腸癌等疾病的調(diào)節(jié)［16-18］。當(dāng)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔內(nèi)未折疊或者折疊錯(cuò)誤的蛋白質(zhì)增多時(shí)，就會(huì)引起內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激，當(dāng)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激時(shí)間正常時(shí)，機(jī)體中的UPR 通過ATF6、PERK 和ⅠRE1α 三個(gè)壓力傳感器來維護(hù)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔內(nèi)的蛋白質(zhì)穩(wěn)態(tài)［19］。但如果內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激過強(qiáng)或者時(shí)間過長就導(dǎo)致UPR 無法維護(hù)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔內(nèi)蛋白質(zhì)穩(wěn)態(tài)，使UPR 通過上述三個(gè)壓力傳感器傳導(dǎo)給下游凋亡信號通路，將保護(hù)細(xì)胞機(jī)制轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)胞凋亡機(jī)制，這是調(diào)節(jié)癌細(xì)胞進(jìn)程的關(guān)鍵因素之一［20］。PARP16 可以通過對UPR 壓力傳感器PERK 和ⅠRE1α 的單ADP-核糖基化從而調(diào)節(jié)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激，影響癌癥的進(jìn)程［1，21］。此外，PARP16還參與對Kapβ1的單ADP-核糖基化，有相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，Kapβ1 與核轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白α（Kapα）以及核定位序列（nuclear localization sequence，NLS）組成復(fù)合物將腫瘤抑制因子P53通過核孔復(fù)合體運(yùn)輸?shù)郊?xì)胞核；而Kapβ1 作為P53 核導(dǎo)入的關(guān)鍵因素，當(dāng)其活性發(fā)生改變可能會(huì)導(dǎo)致P53的細(xì)胞內(nèi)定位發(fā)生錯(cuò)誤，從而影響機(jī)體腫瘤細(xì)胞的進(jìn)程。因此PARP16 可通過對Kapβ1 活性的調(diào)節(jié)從而對腫瘤的發(fā)生與發(fā)展產(chǎn)生影響［14］。

2.2 PARP16與心血管疾病密切相關(guān)

研究表明，導(dǎo)致動(dòng)脈粥樣硬化、高血壓和缺血性心臟病等心血管疾病的重要因素之一是血管內(nèi)皮細(xì)胞衰老和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激［22-23］。AngⅠⅠ作為導(dǎo)致動(dòng)脈粥樣硬化和高血壓的主要激素，可以促進(jìn)血管內(nèi)皮細(xì)胞衰老和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激［24-25］。Yang等［13］的研究表明，PARP16 作為上游信號分子可以調(diào)節(jié)AngⅠⅠ活性以及內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激，從而影響心血管疾病。他們還發(fā)現(xiàn)，Smyd3作為一種賴氨酸甲基轉(zhuǎn)移酶，通過結(jié)合到PARP16 基因的啟動(dòng)子區(qū)，然后增加PARP16的活性從而增強(qiáng)AngⅠⅠ的活性［13］。除此之外，血管內(nèi)皮生長因子（VEGF）也是上述心血管疾病的重要影響因素之一，其功能是通過促進(jìn)血管生成從而調(diào)節(jié)血管張力以及壓力［26］。VEGF 的生物活性在多個(gè)水平上受到嚴(yán)格控制，包括涉及翻譯后修飾的過程，其中ADP-核糖基化是影響VEGF 生物活性的最重要因素之一［27-28］。由于VEGF是在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和高爾基體進(jìn)行加工和修飾，PARP16 在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中對VEGF 先進(jìn)行單ADP-核糖基化，這是VEGF 進(jìn)行多ADP-核糖基化的先決條件，之后位于高爾基體的端錨聚合酶（TNKS2多ADP-核糖轉(zhuǎn)移酶）再對VEGF 進(jìn)行多ADP-核糖基化［29］。因此，VEGF 的ADP-核糖基化由PARP16 和TNKS2 共同介導(dǎo)，PARP16 可能通過調(diào)節(jié)VEGF 的活性從而影響心血管疾病［15］。

2.3 PARP16介導(dǎo)囊性纖維化疾病

囊性纖維化（cystic fibrosis，CF）是一種致死性的遺傳疾病，最常見的原因是由囊性纖維化跨膜調(diào) 節(jié) 因 子 （cystic fibrosis transmembrane conductance regulator， CFTR） 中 的 基 因 片 段F508del突變引起的［30］。據(jù)表明，UPR中壓力傳感器ⅠRE1α 的活性與CF 存在密切關(guān)系［31］，當(dāng)CFTR發(fā)生突變時(shí)就會(huì)導(dǎo)致氯離子通道發(fā)生失常，引起機(jī)體內(nèi)大量未折疊或者折疊錯(cuò)誤的蛋白質(zhì)進(jìn)入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔內(nèi)［32-33］。從而導(dǎo)致ⅠRE1α的核糖核酸內(nèi)切酶活性被激活，并通過XBP1信號通路來維持內(nèi)質(zhì)網(wǎng)蛋白質(zhì)穩(wěn)態(tài)平衡［34］。但是由于ⅠRE1α 活性過強(qiáng)而導(dǎo)致機(jī)體內(nèi)的巨噬細(xì)胞糖酵解速率、ATP消耗以及代謝增加造成機(jī)體能量消耗過大［35］。因此，機(jī)體較長時(shí)間處于能量不足就會(huì)引起以慢性疲勞、營養(yǎng)不良和呼吸衰竭為特征的囊性纖維化疾?。?2］。Carlile等［31］的研究發(fā)現(xiàn)，PARP16 可以通過對ⅠRE1α 單ADP-核糖基化增強(qiáng)其活性，參與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激去調(diào)節(jié)CF 的進(jìn)程，表明其可能通過參與ⅠRE1α-XBP1信號通路從而介導(dǎo)CF疾病.

3 PARP16的小分子抑制劑及其晶體結(jié)構(gòu)研究

目前發(fā)現(xiàn)，PARP 家族成員的多個(gè)抑制劑，這些抑制劑大多是關(guān)于聚腺苷二磷酸核糖基化轉(zhuǎn)移酶小分子抑制劑。比如已經(jīng)通過臨床試驗(yàn)而獲批上市的PARP1和PARP2抑制劑（奧拉帕利、魯卡帕尼、尼拉帕利、他拉唑帕尼和氟唑帕利［36］），以及靶向PARP16 的抑制劑Latonduine 衍生物和EGCG 等［31，37-38］（圖2）。在PDB 蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫中也有PARP16 的4 個(gè)小分子抑制劑，其與PARP16 之間形成的結(jié)合口袋和表面靜電勢分布已被解析（圖3）。

3.1 PARP16與小分子抑制劑的共結(jié)晶結(jié)構(gòu)

Karlberg等［2］在2012年解析了PARP16與3-氨基苯甲酰胺的晶體結(jié)構(gòu)（PDB：4F0D，圖4a），結(jié)構(gòu)表明：PARP16 中G153 與該化合物分別形成2.6 ? 和3.2 ? 的氫鍵作用力，而其H152、Y193 與該化合物則形成范德華力。結(jié)構(gòu)表明，PARP16 與NAD+結(jié)合的H-Y-E 基序的第3 個(gè)氨基酸被Y254 取代，其作用是穩(wěn)定兩者的結(jié)合中間體，說明PARP16具有ADP-核糖轉(zhuǎn)移酶活性，可被PARP抑制劑煙酰胺類似物抑制。

Karlberg 等在2018 年 解析了PARP16 與2-［4-［（2S，3S，4R，5R）-5-（6-氨基嘌呤-9-基）-3，4-雙（氧化氧烷基）氧雜戊-2-基］羰基哌嗪-1-基］-N-（1-氧化亞烷基-2，3-二氫異吲哚-4-基）乙酰的晶體結(jié)構(gòu)（PDB：6HXR，圖4b），結(jié)構(gòu)表明：該化合物與PARP16 H152形成2.7 ?的氫鍵作用力、與Y153分別形成2.9 ? 和3.1 ? 的兩對氫鍵、與S154 側(cè)鏈形成2.7 ?的氫鍵、與S161分別形成2.9 ?和3.3 ?的兩對氫鍵作用力、與G166 形成2.8 ? 的氫鍵作用力、與H168側(cè)鏈形成3.1 ?的氫鍵作用力。

Karlberg 等在2018 年還解析了PARP16 與碳煙酰胺腺嘌呤二核苷酸的晶體結(jié)構(gòu)（PDB：6HXS，圖4c），結(jié)構(gòu)表明：該化合物與PARP16 S154 的側(cè)鏈形成2.8 ? 的氫鍵、與S161 形成兩對分別為2.8 ?和3.3 ?的氫鍵、與G166形成2.8 ?的氫鍵作用力、與H170的側(cè)鏈形成3.1 ?的氫鍵作用力、與PARP16 N158、Y182 形成水介導(dǎo)的氫鍵相互作用力。

Fig.2 Small molecule inhibitors of PARP16圖2 PARP16的小分子抑制劑

Fig.3 Binding pockets and electrostatic potential surface distribution of PARP16-inhibitors圖3 PARP16與抑制劑的結(jié)合口袋和表面靜電勢分布

Fig.4 Structures of PARP16 with small molecule inhibitors圖4 小分子抑制劑與PARP16的結(jié)構(gòu)

Wigle 等［39］在2020 年解析了PARP16 與5-｛5-［（哌啶-4-基）氧基］-2H-異吲哚-2-基｝-4-（三氟甲基）噠嗪-3（2H）酮（RBN01086）的晶體結(jié)構(gòu)（PDB：6W65，圖4d），結(jié)構(gòu)表明：該化合物與PARP16主要通過G153 進(jìn)行結(jié)合，與G153 形成兩對2.7 ? 的直接氫鍵作用力和一對水介導(dǎo)的氫鍵。

PARP16 與這些小分子抑制劑的結(jié)構(gòu)解析和研究在分子水平闡述了它們的分子機(jī)理和構(gòu)效關(guān)系，為進(jìn)一步研發(fā)出親和力強(qiáng)、特異性高、副作用小的抑制劑提供了堅(jiān)實(shí)的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。

3.2 Latonduine衍生物

Carlile 等［31］發(fā)現(xiàn)，Latonduine 衍生物對引起CF 的基因片段F508del-CFTR 校正具有較好的效果，其主要作用是通過抑制PARP3、PARP16 的活性 從 而 介 導(dǎo)CF［37，40］。他 們 通 過 比 較 發(fā) 現(xiàn)，MCG315（圖2 Latonduine衍生物1）體外抑制的校正效果最好，其中MCG315對抑制PARP16的活性達(dá)到97%。主要原因是PARP16與ADP結(jié)合位點(diǎn)煙酰胺口袋由亮氨酸（L）和酪氨酸組成，形成的略大口袋能夠讓MCG315 更深地嵌入［31］。之后Centko 等［37］比較了不同的Latonduine 衍生物在體外分別對PARP3 以及PARP16 的抑制，發(fā)現(xiàn)了對PARP16更強(qiáng)的抑制劑。在檢測中，發(fā)現(xiàn)Latonduin A 與Latonduine 衍生物2（圖2）有相似的IC50值（分別為10.427 μmol/L、60.362 μmol/L），在體外LatonduinA 對PARP16 的活性抑制達(dá)到95%，Latonduine 衍生物2 對PARP16 的抑制幾乎達(dá)到100%。他們還指出，雖然Latonduine 衍生物2 對PARP16 的抑制性較好，但治療CF 需要同時(shí)抑制PARP3 與PARP16 的 活 性，Latonduine 衍 生 物 如MCG315 與魯瑪卡托（VX809）結(jié)合可能是治療CF的一種最佳手段［37］。

3.3 表沒食子兒茶素沒食子酸酯（EGCG）

綠茶中豐富的表兒茶素沒食子酸酯（ECG）和表沒食子兒茶素沒食子酸酯（EGCG）（圖2）具有廣泛的藥理學(xué)作用，如化學(xué)預(yù)防、抗癌、抗感染等［41-42］。吳家雪研究團(tuán)隊(duì)［38］通過篩選多種抑制PARP16 活性的化合物發(fā)現(xiàn)，ECG 的抑制效果較好，在體外能夠完全抑制PARP16，表明ECG是其潛在抑制劑。后來，該研究團(tuán)隊(duì)使用朗繆爾反應(yīng)模型擬合結(jié)合曲線，根據(jù)其結(jié)合動(dòng)力學(xué)常數(shù)發(fā)現(xiàn)，PARP16分別與ECG和EGCG結(jié)合時(shí)，其解離常數(shù)（Kd）分別為3.41 nmol/L和6.16 nmol/L，表明其與ECG 和EGCG 都具有高親和力。ECG 和EGCG 在體 外 對PARP16 的IC50分 別 為47.18 μmol/L 和14.52 μmol/L。因此，他們認(rèn)為EGCG 是PARP16更好的潛在抑制劑。研究也表明，EGCG作為一種潛在的抑制劑，通過對PARP16活性抑制介導(dǎo)癌細(xì)胞的凋亡。先前的研究發(fā)現(xiàn)，由于在人體腸道容易被吸收，口服單純的EGCG會(huì)導(dǎo)致其生物利用度很低［43］。Gan 等［44］發(fā)現(xiàn)，EGCG 與一些天然小分子比如姜黃素、人參二醇、紫檀芪、槲皮素結(jié)合時(shí)會(huì)增加其在機(jī)體的生物利用度，從而更有效地抑制癌細(xì)胞增殖。因此，未來將誘導(dǎo)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激的藥物或者一些其他天然小分子與EGCG相結(jié)合可能成為治療腫瘤的一種有效方法［38］。

4 展 望

近年來，研究人員對于PARP16通過參與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激和核質(zhì)運(yùn)輸而調(diào)節(jié)癌癥、CF 和心血管疾病等進(jìn)行了許多的研究和深入探索。本課題組對于PARP16 在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路也進(jìn)行了初步研究，但對于怎樣將應(yīng)激信號轉(zhuǎn)導(dǎo)給下游信號分子這一具體通路尚未完全了解，比如PARP16通過PERK 和ⅠRE1α 這兩個(gè)壓力傳感器介導(dǎo)癌癥等疾病的作用機(jī)制。目前，PARP16 抑制劑的研發(fā)正在逐漸成為藥物研發(fā)的熱點(diǎn)，PAPR16可以與ADP-核糖基化酶的典型抑制劑3-氨基苯甲酰胺結(jié)合，這為接下來研究人員了解其煙酰胺亞位點(diǎn)，從而開發(fā)下一代關(guān)于煙酰胺模擬物抑制劑提供了一個(gè)很好的思路。同時(shí)，由于PARP16的抑制劑不斷地涌現(xiàn)，研究人員發(fā)現(xiàn)其抑制劑與一些小分子化合物相結(jié)合治療相關(guān)疾病具有較好的效果。比如EGCG與天然小分子相結(jié)合對于治療腫瘤取得較好的療效，這為PARP16 抑制劑在未來治療癌癥以及心血管疾病提供了一個(gè)非常好的方向。另外，PARP16 還可以與其他PARP家族成員一起參與多種疾病調(diào)節(jié)，比如CF，表明PARP家族成員在機(jī)體中協(xié)同參與了多種細(xì)胞生命進(jìn)程。