广东化工2019年第9期·134·第46卷总第395期PARP家族及临床使用的PARP抑制剂
王世瑞，薛晓文*
(中国药科大学药学院，江苏南京211100)
PARP Family and Clinically Ud PARP Inhibitors
Wang Shirui,Xue Xiaowen*
曹士兵(School of Pharmacy,China Pharmaceutical University,Nanjing211100,China)
Abstract:Poly(ADP-ribo)polymeras(PARPs)are enzymes that transfer ADP-ribo groups to target proteins and thereby affect various nuclear and cytoplasmic process，and they play an irreplaceable role in maintaining genomic stability and regulating signaling pathways.The recent progress in the subtypes and biological functions of PARP was reviewed in this paper,and the PARP inhibitors clinically
古筝独奏曲ud was described.
Keywords:PARPs；ADP-ribosylation；PARP inhibitors
ADP核糖基化(ADPr)是蛋白质的一种可逆的、进化保守的转录后修饰过程，参与调节体内多种生物过程，在维持基因的稳定性和细胞凋亡等方面发挥着重要的作用[1]。ADPr主要由ADP-核糖基转移酶(ART)蛋白超家族催化。目前，研究最多的ART家族是聚腺苷二磷酸核糖聚合酶家族(PARPs)，依据与家族初始成员PARP1催化域结构的同源性，有17个在哺乳动物体内发现的蛋白质被命名为PARP1-17[2]。然而，需要说明的是，并不是所有的PARP家族成员都具有ADP核糖基转移酶活性，并且有一些成员的作用为单ADP核糖基转移酶而非聚ADP核糖基转移酶[3]。因此，Michae等人以这些蛋白催化的酶促反应类型和生物化学分类规则为依据，将PARP样ADP-核糖基转移酶重新系统命名为白喉毒素样ADP-核糖基转移酶(Diphtheria toxin-like ADP-ribosyltransferas,ARTDs)[4]，为了便于理解，本文仍将继续使用PARPs这一名称进行综述。
1PARP家族构成及分类
依据PARP家族成员各自的结构域和功能的特征可将其大致分为四种不同的类型：DNA依赖性PARPs，包括PARP1，PARP2，和PARP3；端锚聚合酶(Tankyra)，包括PARP5a(Tankyra1)，PARP5b(Tankyra2)；CCCH(即Cys-Cys-Cys-His)PARPs，包括PARP7，PARP12，PARP13；mac
ro PARPs，包括PARP9，PARP14，PARP15。其余的PARP家族成员如PARP4，PARP10等，则无法纳入这四种类型，因它们具有不同的域结构[5]。(见表1)
表1PARP家族成员的组成、分类和酶活性
Tab.1The organization,classification and enzymatic activities of PARP family members
PARPs系统命名亚家族分类大小a关键功能模块和结构域b酶活性c
PARP1ARTD1DNA-dependent1014WGR,ZF and BRCT P&B
PARP2ARTD2DNA-dependent570WGR，SAP P&B
PARP3ARTD3DNA-dependent540WGR，CBD M
PARP4ARTD41724BRCT P5个月胎儿
PARP5a ARTD5Tankyra1327ARD，SAM P&O
PARP5b ARTD6Tankyra1166ARD，SAM P&O
PARP6ARTD17322M(pre)
PARP7ARTD14CCCH PARP657ZF and WWE M
PARP8ARTD16854M(pre)
PARP9ARTD9macro PARP854Macrodomain/
PARP10ARTD101025M(pre)
PARP11ARTD11331WWE M(pre)
PARP12ARTD12CCCH PARP701ZF and WWE M(pre)
PARP13ARTD13CCCH PARP902ZF and WWE/
PARP14ARTD8macro PARP1801Macrodomain and WWE M
PARP15ARTD7macro PARP444Macrodomain M
PARP16ARTD15630M(pre)
a：在这里指氨基酸残基的个数；b：WGR：富含色氨酸(W)，甘氨酸(G)，精氨酸(R)，的结构域；BR
CT：乳腺癌易感蛋白1(BRCA1)C端结构域；WWE：保守氨基酸残基色氨酸(W)-色氨酸(W)-谷氨酸(E)富含区域；ZF即锌指结构；ARD：即锚蛋白重复结构域；SAM即无效α基序；SAP即SAF或Acinus 或PIAS-DNA-连接域；c：目前已知的或者预测酶活性即进行单(M)，寡(B)，聚(P)或支化(B)-ADP核糖基化。
2PARP家族主要成员的结构和生物学功能2.1DNA依赖性PARPs
该类型包括PARP1、PARP2和PARP3，三者在催化域(CAT)的结构上有60%的相似性，但是氨基端的结构有所不同：PARP2和PARP3缺乏锌指(ZF)结构和BRCT结构域[6](图1)。
[收稿日期]2019-04-12
[作者简介]王世瑞(1992-)，男，邢台市人，硕士研究生，主要研究方向为药物化学。*为通讯作者。能近取譬
2019年第9期广东化工
第
46卷总第395期·135·
图1PARP1、PARP2以及PARP3结构示意图
Fig.1Schematic diagram of PARP1,PARP2and PARP3
PARP1是PARP家族中最早的成员，关于PARP1的研究最
为详尽，其在维持基因组稳定性，调节细胞信号转导等方面发挥着重要的作用[7]。PARP1在结构上主要由三部分组成：能够识别DNA损伤并与之结合的DNA连接域；富含谷氨酸的中间自我修
饰域；含有CAT催化域的NAD连接区域。当DNA发生损伤时，PARP1通过其自身的DNA连接域与DNA受损部位结合后，导致自身结构的一系列变化从而激活其催化活性。激活后的PARP1以NAD+为ADP供体在蛋白质底物上进行PAR化修饰，同时介导DNA修复因子的募集以及DNA损伤部位周围的染色体的重构，最终修复受损的DNA[8]。
PARP2的发现源于在PARP1缺陷的小鼠胚胎成纤维细胞中仍可观察到DNA损伤依赖性的PARP活性。与PARP1不同，PARP2倾向于合成支化的PAR链。造成这种差异的原因可能是由于PARP2在“底物受体结合口袋”中含有由6个额外的氨基酸残基(亮氨酸523-苏氨酸528)组成的延伸环，正是这一独特的延伸环
的存在可能导致了底物在受体口袋内的取向不同，从而决定了线
性或者支化PAR链的形成[9]。
PARP3最初是在使用人PARP1的催化域结构序列在表达序
列标签库(EST)中进行筛选时发现的[10]。PARP3主要在底物蛋白
上进行单ADP核糖基化，同时PARP3的存在对于PARP1介导的
DNA双链断裂的修复具有促进作用。Parp3和Parp1同时敲除的
小鼠对电离辐射的敏感性明显增加[11]。另外PARP3可以和NuMA
以及PARP5a组成蛋白复合物，PARP3作为其关键组成部分在促
进细胞有丝分裂纺锤体的形成以及维持基因稳定性方面发挥着重
要的作用。
2.2端锚聚合酶
该类型包括PARP5a和PARP5b，二者含有两个独特的结构
域：ARD以及SAM结构域(图2)。正是由于这两个结构域的存在，
使得PARP5a和PARP5b除了具有DNA损伤修复功能外还具有
其它一些独特的生物学功能，在维持端粒长度、调节Wnt和Notch
介导的信号转导方面发挥着重要作用[12]。PARP5a和PARP5b在
功能上既有很大的重复性，但是又有着细微的差别，Parp5a或
Parp5b敲除的细胞在生理学功能上并不会有太大的变化，然而
Parp5a和Parp5b同时敲除则会导致胚胎致死[13]。
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图2PARP5a和PARP5b结构示意图
Fig.2Schematic diagram of PARP5a and PARP5b
目前，已有多个信号通路中的相关蛋白质被确认为端锚聚合
酶的作用底物，其中最具特色的底物之一就是AXIN(一种β-连环
蛋白破坏复合物浓度限制因子)，它是β-连环蛋白依赖性Wnt信号麦加黑石
通路的关键调节因子[14]，端锚聚合酶可以和AXIN结合并且通过
PAR化使其被E3泛素连接酶识别并最终被蛋白酶体降解，从而
稳定β-连环蛋白的游离库，使其更加容易地易位到细胞核内发挥
作用。
2.3CCCH PARPs
该类型包括PARP7、PARP12以及PARP13，三者均含有用
于连接RNA的CCCH锌指结构，WWE结构以及可以表现出PAR
结合活性的催化结构域(图3)。PARP7是一种单ADP核糖基转移
酶，可进行自身、核心组蛋白以及转录因子的ADP核糖基化。
PARP7主要存在于细胞核内，当细胞被病毒感染时，PARP7可易
位至细胞质中，通过自身的锌指结构与病毒的RNA结合从而诱
导其降解[15]
。PARP12在结构上与PARP7类似。作为单ADP核
糖基转移酶，PARP12已被证实可通过抑制病毒和细胞蛋白水平
的翻译而发挥多种抗病毒作用。同时，PARP12是细胞中应激颗
粒的组成部分[16]，细胞在外界刺激如氧化应激和病毒感染的作用
下，可首先激活PARP1进而合成PAR
链并释放到细胞质中，接
张皓若着，PARP12与PAR链结合后从高尔基体膜释放进入细胞质中和
其他应激颗粒组成因子完成快速组装，从而对细胞起到保护作用。
图3PARP7、PARP12以及PARP13结构示意图
Fig.3Schematic diagram of PARP7,PARP12and PARP13
PARP13在人体细胞中存在两种亚型：PARP13.1和
PARP13.2，二者都没有催化ADP核糖转移的功能，PARP13.1虽
然含有与PARP1类似的催化域，但是缺少ART活性必须的氨基
酸残基，而PARP13.2的催化域则是完全缺失的[17]。两种亚型都
包含4个用于连接RNA的锌指结构，能在细胞感染病毒时，结
合病毒释放的RNA，并通过细胞内mRNA的衰变机制靶向降解
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入侵细胞的病毒RNA。但是有研究表明，PARP13在没有病毒感
染细胞的情况下亦可和细胞内RNA结合，调节胞内RNA的转录
过程。
2.4macro PARPs
该亚型的PARP家族蛋白因均含有一个由190个左右氨基酸
残基构成的高度保守的macro结构域而得名，macro结构域是一
种ADP核糖结合模块，其对ADP核糖有很强的亲和力[18]。该类
型包括PARP9、PARP14和PARP15(图4)。
同PARP13类似，PARP9亦因为缺少关键氨基酸残基而没有
ART活性。有研究表明，PARP9在淋巴瘤和前列腺癌中的过表达
可能导致肿瘤的转移、复发以及化疗耐药性[19]。PARP14在结构
上包含3个macro结构域，一个WWE结构域以及一个PARP催
化结构域，其可以催化单ADP核糖转移，并且PARP14可通过与
B细胞和T细胞中细胞因子诱导的信号转导和转录激活因子
6(STAT6)相互作用从而增强IL-4诱导的基因表达[20]。而PARP15
是细胞内应激颗粒的组成部分，在细胞受到外界刺激时同
PARP5，12，13，14一同组成应激颗粒发挥作用。
图4PARP9、PARP14以及PARP15结构示意图
Fig.4Schematic diagram of PARP9,PARP14and PARP15
3PARP抑制剂及其临床应用
图5烟酰胺及目前临床应用的PARP抑制剂的结构
Fig.5The structures of the nicotinamide and clinically ud PARP
inhibitors
由于PARP家族在DNA损伤修复和转录调控中发挥的重要
作用，其多个成员可作为理想的疾病治疗靶点，在炎症以及肿瘤
广东化工2019年第9期·136·第46卷总第395期
治疗方面有着巨大的发展前景。PARP1是PARP家族中最主要的成员，其在细胞中承担着PARP家族90%以上的功能，是DNA 损伤修复中的关键作用因子。目前上市的PARP抑制剂基本上是PARP1抑制剂，多是模拟其NAD+底物烟酰胺部分的结构(图5)，
芳酰胺结构为这类抑制剂的最主要结构特征，通过与PARP1的NAD+烟酰胺部分结合位点特异性结合，PARP1抑制剂可以阻止PARP1对底物蛋白的ADP-核糖基化，“捕获”PARP1、DNA复合物，使得PARP1不能从DNA受损部位释放，从而阻止DNA的损伤修复作用[21]。
PARP1抑制剂起初是作为癌症疗法中放疗和化疗的增敏剂使用的，其通过抑制被放疗或化疗损伤的癌细胞的DNA修复过程来达到协同抗癌作用。但随着合成致死(SL)概念的引入，使得PARP1抑制剂单一用药用于治疗BRCA基因突变的癌症成为了可能[22]。2014年12月，由阿斯利康研发的Olaparib被美国FDA 批准上市，其作为第一个上市的小分子PARP1/2抑制剂，在治疗具有BRCA1/2基因缺陷的乳腺
癌和卵巢癌取得了令人满意的效果。2016年12月，又一PARP1/2抑制剂Rucaparib被批准上市，用于治疗接受过两次及以上化疗的BRCA突变的晚期卵巢癌患者的治疗。紧随其后，Niraparib于2017年3月被美国FDA批准用于复发性上皮卵巢癌、输卵管癌以及原发性腹膜癌以及对铂化疗完全或部分响应的成人患者的维持治疗。而Talazoparib作为目前活性最强的PARP1抑制剂(IC50为0.57nm)也于2018年10月被批准用于治疗携带BRCA突变的局部晚期或转移性乳腺癌。
虽然截止到目前已有多个PARP1/2抑制剂上市，但值得注意的是，这些药物的亚型选择性并不高，这些PARP抑制剂在抑制PARP1的同时也会不同程度地抑制PARP2的活性，从而导致慢性贫血等副作用。即便是上市药物中亚型选择性最好的Talazoparib，其对PARP1的抑制活性也仅比PARP2高出一倍。目前已报道的选择性最好的小分子PARP1抑制剂为NMS-P293，其对PARP1的选择性是PARP2的200倍以上，并且其IC50也达到了纳摩尔水平[23]。
4展望和总结
PARP家族成员在细胞中发挥着极其重要的作用，在维持基因稳定性、保持端粒长度以及细胞应对外界刺激的响应等方面发挥着不可替代的作用。然而目前尚有一些家族成员在亚细胞定位、生物化学功能等方面仍然不甚明了，需要进行更加深入细致的研究。同时，如何基于PARP家族成员间结构的差异来设计并合成具有高度亚型选择性的小分子PARP抑制剂是目前该领域药物化学工作者面临的主要
问题。随着对PARP蛋白结构研究的不断深入，相信在不久的未来，具有高度亚型选择性的PARP抑制剂最终将会被发现并走向临床。
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