The effect of heme on PARP1 and 53BP1 proteins in mouse induced pluripotent stem cells with heme oxygenases deficiency

Hem jest ważnym kofaktorem niezbędnym do prawidłowego działania wielu białek, może on także stanowić element szlaków sygnalizacji komórkowej. Niemniej jednak, wyższe stężenia wolnego hemu mogą być toksyczne, gdyż prowadzą do powstawania reaktywnych form tlenu. Te z kolei mogą powodować uszkodzenia DNA w wyniku stresu oksydacyjnego. W związku z tym, zarówno synteza, jak i degradacja hemu są ściśle kontrolowane. Za degradację hemu w komórce odpowiadają oksygenazy hemowe: indukowalna Hmox1 i konstytutywna Hmox2. Dotychczasowe badania sugerują, że białko Hmox1 może także odgrywać znaczącą rolę w procesach naprawczych DNA. Uzyskane w prezentowanej pracy wyniki wykazały, że aktywność obu oksygenaz hemowych w indukowanych pluripotencjalnych komórkach macierzystych jest niezbędna do prawidłowej regulacji ekspresji białka PARP1, zaangażowanego głównie w naprawę pęknięć pojedynczej nici DNA. Z kolei rola hemu oraz wspomnianych oksygenaz w regulacji ekspresji białka 53BP1, biorącego udział w naprawie pęknięć podwójnej nici DNA, jest niewielka. Uzyskane dane wskazują także, że białko Hmox1 może być bezpośrednio zaangażowane w procesy naprawy DNA w jądrze komórkowym. Test ligacji zbliżeniowej w linii ludzkich embrionalnych komórkach nerki 293 (HEK-293) wykazał istnienie bezpośrednich interakcji pomiędzy białkami Hmox1 i PARP1. Podsumowując, uzyskane wyniki wskazują, że aktywność oksygenaz hemowych jest niezbędna do prawidłowej regulacji ekspresji białek zaangażowanych w naprawę DNA w komórce.

Heme is an important cofactor necessary for the proper functioning of different proteins, it is also an element of cell signalling pathways. Nevertheless, higher concentrations of free heme can be toxic as they lead to the formation of reactive oxygen species. This, in turn, can cause DNA damage due to oxidative stress. Therefore, both synthesis and degradation of heme are strictly controlled. Heme oxygenases (inducible Hmox1 and constitutive Hmox2) are responsible for heme degradation in the cell. Importantly, data also suggest that Hmox1 protein plays a significant role in DNA repair processes. The present study showed that the activity of both heme oxygenases in induced pluripotent stem cells is necessary for the proper expression of PARP1, a protein involved particularly in single-strand DNA damage repair. On the other hand, the role of heme and heme oxygenases seems to be less important for double-strand DNA damage repair, since the level of 53BP1 protein in cells with heme oxygenases deficiency remained barely unchanged. This study also showed that Hmox1 protein might be directly involved in DNA repair in the cell nucleus. Proximity ligation assay performed on HEK-293 cells showed the presence of direct interactions between Hmox1 and PARP1 proteins. Taken together, these results suggest that heme oxygenases seem to be important for regulation of the expression of proteins involved in DNA repair in the cell.