p53: odpowiedź na uszkodzenia DNA i rak

p53 jest czynnikiem transkrypcyjnym, który wiąże się z określonymi miejscami konsensusu w DNA. Główną funkcją p53 jest represja genów zaangażowanych w stymulację wzrostu komórek przy jednoczesnej aktywacji alternatywnych genów zaangażowanych w kontrolę cyklu komórkowego. p53 reguluje ekspresję genów w celu kontrolowania szerokiego zakresu aktywności biologicznych, które umożliwiają szybką adaptację komórek do zmian środowiskowych. Najważniejszą rolą p53 jest zatrzymanie wzrostu przed replikacją DNA w fazie G1 lub przed mitozą w fazie G2. Zapewnia to okno do naprawy DNA lub eliminacji komórek z poważnie uszkodzonym DNA. Aktywacja p53 może skutkować apoptozą i służyć jako środek do eliminacji poważnie uszkodzonych komórek poprzez aktywację transkrypcyjną genów proapoptotycznych lub poprzez mechanizmy niezależne od transkrypcji.

Sygnał p53 jest aktywowany w komórkach w odpowiedzi na różne sygnały podczas kancerogenezy. Uszkodzenia DNA wywołane kancerogenami, nieprawidłowe sygnały proliferacyjne, niedotlenienie i utrata adhezji komórek to tylko niektóre z najczęstszych sygnałów aktywujących p53. Ostateczny wynik aktywacji p53 zależy od wielu czynników i jest w dużej mierze pośredniczony przez działanie genów efektorowych transaktywowanych przez p53. Czynniki uszkadzające DNA powodują, że p53 staje się bardzo stabilny poprzez mechanizmy potranslacyjne, umożliwiając gwałtowny wzrost poziomu p53 w jądrze. W związku z tym p53 może hamować rozwój nowotworów, zapewniając integralność genomu i hamując proliferację komórek nowotworowych.

Regulacja aktywności transkrypcyjnej p53 przez MDM2

W komórkach niestresowanych, p53 jest utajony i utrzymywany na niskim poziomie przez ukierunkowaną degradację za pośrednictwem ubikwityny przez MDM2/HDM2 i wiele innych ligaz ubikwityny. MDM2 jest fosfoproteiną indukowaną przez p53, która wiąże się z N-końcem p53 i negatywnie reguluje jego aktywność. Co ciekawe, transkrypcja Mdm2 jest aktywowana przez p53. W związku z tym, w obecności wysokich poziomów p53, poziomy MDM2 są również podwyższone. p53 oddziałuje z MDM2 w Phe19, Trp23 i Leu26, aby wypełnić komplementarną hydrofobową kieszeń MDM2. Te trzy aminokwasy są również niezbędne do transaktywacji p53. Wiązanie MDM2 z p53 antagonizuje aktywność transkrypcyjną p53 i blokuje jego acetylację i transaktywację poprzez interferencję z koaktywatorami transkrypcji, p300/CBP. MDM2 działa jako ligaza E3, która ubikwitynuje p53 i wymusza jego eksport z jądra do cytoplazmy, gdzie p53 jest degradowany przez proteasom.

Swoista fosforylacja i acetylacja p53

Ludzkie p53 jest fosforylowane w wielu miejscach przez kinazy białkowe aktywowane stresem, kinazę białkową zależną od DNA (DNA-PK), kinazę kazeinową I i II oraz kinazy zależne od cyklin. Większość miejsc fosforylacji p53 jest skupiona w N-końcowej domenie transaktywacyjnej. Fosforylacja p53 zapewnia stabilność poprzez promowanie jego dysocjacji z MDM2 i zwiększanie jego aktywności transkrypcyjnej. Dodatkowo, kinazy ATM i ATR promują fosforylację ludzkiego p53 na Ser15 i Ser20, które są niezbędne do aktywacji p53 po uszkodzeniu DNA. DNA-PK fosforyluje Ser15 w krytycznym regionie N-końcowym p53, który kontroluje interakcję p53 z aparatem transkrypcyjnym i MDM2. DNA-PK fosforyluje również Ser9 i Thr18; jednak fosforylacja w tych miejscach zależy od obecności pełnej długości p53 i jest niezależna od fosforylacji w innych miejscach. Gdy p53 kolokalizuje z DNA-PK i ssDNA, następuje 10-krotne zwiększenie fosforylacji p53. Wykazano, że wszystkie typy komórek nowotworowych wykazują wyższy poziom fosforylacji p53 w porównaniu z normalnymi komórkami nietransformowanymi, które zapewniają większą stabilność p53 niezależnie od jakichkolwiek mutacji p53. Pomimo szeroko zakrojonych badań nad fosforylacją p53, obecnie wiadomo, że fosforylacja nie jest jedynym mechanizmem regulującym aktywację p53. Po stresie komórkowym wykazano, że p53 jest acetylowany przez p300/CBP na wielu resztach lizyny (Lys370, 372, 373, 381 i 382) oraz przez pCAF na Lys320. Badania in vitro pokazują, że zwiększenie poziomu acetylacji p53 za pomocą inhibitorów deacetylazy zapobiega degradacji p53. HDAC1 i SIRT1 należą do deacetylaz, które mogą być odpowiedzialne za regulację p53.

p53 i rak

p53 jest niefunkcjonalny lub zmutowany w większości nowotworów u ludzi. Duża liczba mutacji jest spowodowana pojedynczymi podstawieniami zasad, a około 30% tych mutacji występuje w kodonach hotspot. Funkcjonalne p53 zapewnia mechanizm ochronny przed wzrostem guza, a utrata funkcji p53 jest kluczowym krokiem w kaskadzie nowotworowej. Skuteczna odpowiedź na terapię jest znacznie zmniejszona w guzach, w których występuje zmutowany p53, a guzy te są często bardzo trudne do leczenia. Przyszłe badania całego genomu i wzrost wykorzystania podejścia "omic" są prawdopodobnie niezbędne do wyjaśnienia różnorodnych mechanizmów działania p53 i jego roli w regulacji ekspresji genów i raka.