p53在DNA损伤反应中的研究进展

药学学报ActaPharmaceuticaSinica2011,46(12):1413−1419·1413·p53在DNA损伤反应中的研究进展王娅杰,孙华,刘耕陶,陈晓光*(中国医学科学院、北京协和医学院药物研究所,北京100050)摘要:p53基因是研究最广泛的抑癌基因之一,也是细胞内的一个强大的转录因子,在正常状态下呈低水平表达。在各种应激包括DNA损伤时,p53可以被不同的信号通路激活并稳定,通过增强其下游多种基因的转录而引起细胞周期阻滞、凋亡或衰老,保持细胞基因组的完整性并清除损伤细胞,这些生物学作用取决于不同的应激信号和细胞类型。p53通路是机体应对DNA损伤的天然防护屏障,对这一机制的深入研究可为肿瘤的发生发展和抗肿瘤药物的开发提供重要的信息。关键词:p53;DNA损伤;MDM2;ATM中图分类号:R963文献标识码:A文章编号:0513-4870(2011)12-1413-07Advancesinthestudyofp53inresponsetoDNAdamageWANGYa-jie,SUNHua,LIUGeng-tao,CHENXiao-guang*(InstituteofMateriaMedica,ChineseAcademyofMedicalSciences&PekingUnionMedicalCollege,Beijing100050,China)Abstract:p53(encodedbyTP53)isundoubtedlyoneofthemostextensivelystudiedgenesandproteins.Itisahighlypotenttranscriptionfactorwhich,undernormalcircumstances,ismaintainedatlowlevel.Bothgenotoxicandnon-genotoxicstressescaninducep53stabilizedleadingtochangesintheexpressionofp53-responsivegenes.Thebiologicaloutcomeinducingthispathwaycanbeeithergrowtharrestandapoptosisorsenescencetomaintaintheintegrityofthegenomeortodeletethedamagedcells.Thebiochemicalactivityofp53itselfandthecellularenvironmentgovernthechoicebetweentheseoutcomesinacelltype-andstress-specificmanner.So,p53isapivotaltumoursuppressorandamainstayofourbody’snaturalanticancerdefence.Thisreviewcouldprovidesomeusefulinformationforfurtherstudyonthemechanismsoftumorigenesisanditsprogression,andalsocouldcontributetothediscoveryofantitumoragents.Keywords:p53;DNAdamage;murinedoubleminute2;ataxia-telangiectasiamutatedgenep53基因是目前发现的与人类肿瘤发病相关性最大的抑癌基因之一,有“基因卫士”的称号。p53蛋白在细胞应对环境和自身的各种应激中起着重要的作用,包括DNA损伤、原癌基因激活、缺氧等。p53位于这些应激信号的中心,将信号传入细胞,并作为转录因子通过促进下游目的基因的转录来实现收稿日期:2011-05-10.基金项目:国家“重大新药创制”科技重大专项资助项目(2009ZX09301-003-9-1).*通讯作者Tel:86-10-63165207,Fax:[phone],E-mail:[e-mail]其功能,主要包括细胞周期的短暂或长期阻滞(分化或衰老)、DNA复制与修复及细胞凋亡[1],从而维持细胞基因组的完整性或阻止癌细胞的早期增殖。1p53的结构与功能p53位于人染色体17p13.1,作为一个核序列特异性的转录因子,主要包括3个功能结构域。N末端的转录活化区(transactivationdomain,TAD),通过与通用转录因子(multi-subunittranscriptionfactorⅡD,TFⅡD)结合并相互作用而发挥转录激活功能。DNA序列结合区域为中心活性区(DNA-bindingdomain,DB),可结合特定的DNA序列。C末端四聚·综述··1414·药学学报ActaPharmaceuticaSinica2011,46(12):1413−1419体化区(tetramerizationdomain,TED)可以使p53形成同源四聚体的活性形式,除此之外还包括核定位信号(nuclearlocalizationsignals,NLS),富含亮氨酸的核输出信号(nuclearexportsignal,NES)和C-末端结构域(carboxyterminusdomain,CTD)[2],如图1。2p53激活的上游信号调控网络正常情况下,p53基因及其相关网络处于关闭状态,当细胞在应对外界刺激时,包括DNA损伤和过度增殖等,p53可被快速激活,并通过一系列翻译后的修饰作用处于稳定状态;p53通路可识别微小的双链断裂和DNA单链间隙,此通路一旦被激活便可通过之后的一系列生物学效应而决定细胞的命运,包括周期阻滞、凋亡、衰老、DNA修复等。p53的诱导和激活由上游蛋白所介导,其中最主要的是毛细血管扩张性共济失调突变基因(ataxia-telangiectasiamutatedgene,ATM)和毛细血管扩张性共济失调相关基因(ataxia-telangiectasiarelatedgene,ATR)。ATM和ATR属于三磷酸肌醇激酶家族的成员,分别感应不同形式的DNA损伤[3],ATM主要在双链DNA损伤时发挥“检测点”的作用,ATR则负责感应并传导其他形式的DNA损伤,包括复制叉损伤、DNA交联等;这两条通路是相对独立而又相互交通的,共同激活下游目的蛋白而发挥作用,包括CHK1(checkpointkinase1,检测点激酶1)、CHK2(checkpointkinase2,检测点激酶2)及其他p53通路蛋白。DNA双链断裂(doublestrandbreaks,DSB)被MRN(MRE11–RAD50–NBS1)复合物识别并导致ATM的激活,活化的ATM能磷酸化一系列底物分子。其他形式的DNA损伤如UV所致损伤及复制叉的破坏等导致的单链断裂被复制蛋白A(replicationproteinA,RPA)包被,并形成ATRIP复合物[theataxia–telangiectasiaanRad3-related(ATR)–ATR-interactingproteincomplex],通过活化9-1-1复合物(comprisingRAD9,RAD1andHUS1),最终导致ATR的激活[4],如图2。这两个激酶被DNA损伤激活后,分别磷酸化下游底物如CHK1、CHK2、p53等,将损伤信号向下一级信号分子传递,p53的激活在DNA损伤信号传导中有着重要的作用,处于DNA损伤信号网络中的“分子节点”,负责“信号”的集中及决定损伤效应所导致的细胞的最终“命运”[5]。在不同的应激诱导p53的通路研究中,对于DSB所导致的p53激活研究最多,此类型的损伤包括电离辐射、活性氧以及复制过程中复制叉的破坏等。DSB可以激活细胞周期检测点以“评估”损伤的严重程度,通过同源重组及非同源重组对损伤进行修复,当损伤无法修复时将启动凋亡过程[6]。在DNA损伤过程中,p53经历复杂的翻译后修饰作用,包括泛素化、磷酸化、乙酰化、甲基化和SUMO(smallubiquitin-relatedmodifier)化等,N末端包含有转录激活区域,NES和与小鼠双微体基因MDM2(murinedoubleminute2)相互作用的区域,这些区域可以被各种激酶磷酸化修饰。p53的磷酸化启动了其应对损伤应激的第一步,ATM激酶是电离辐射诱导Figure1Structureofp53[2]Figure2DNAdamageresponsesignalingpathwaystargetp53anditskeyregulators[4]王娅杰等:p53在DNA损伤反应中的研究进展·1415·p53Ser15快速磷酸化的主要激酶,几小时之后ATR才会启动,Ser15磷酸化促进了CHK2磷酸化Ser20,Ser15和Ser20的磷酸化为Thr18磷酸化所必须,而这一过程由CK1所介导[7]。在UV损伤的细胞中,ATR激酶磷酸化p53Ser15和Ser37,UV还可通过CK2、hSpt16和SSRP1组成的蛋白酶复合体使p53Ser392磷酸化[8],此外,有研究表明,ERK和p38参与了UV损伤p53Ser15的磷酸化,而JNK则参与p53Ser20的磷酸化[9,10]。p38与p53相互作用起到了“分子开关”的作用,决定细胞在UV损伤之后的命运,低剂量UV作用时,p38与p53分别作用,使细胞修复损伤而存活;高剂量UV作用时,p38直接与p53Ser15磷酸化连接,进而启动凋亡[11]。N末端的磷酸化对于p53的激活是非常重要的,可以改变与MDM2的亲和力,增加p53蛋白的稳定性;Ser20和Thr18的磷酸化可以显著降低p53-MDM2的相互作用,抑制MDM2介导的降解;Ser15、Thr18和Ser20磷酸化可以封闭p53核输出信号区域,阻止其被运输出核,而保留在核内发挥转录激活的作用,还可以募集其他一些辅转录因子如p300/CBP[12,13],增强转录激活功能。此外,N末端的磷酸化还有助于p53转录特异性的调节,如Ser46的磷酸化使p53优先选择前凋亡基因的转录[14]。p53含有多个赖氨酸残基,它们均是潜在的乙酰化位点,磷酸化可增强p53与乙酰化酶的相互作用,促进p53C端乙酰化,p53C端赖氨酸乙酰化受组蛋白乙酰化转移酶所介导,如p300和p300/CBP相关因子(PCAF)。p300/CREB结合蛋白(CBP)和PCAF能分别乙酰化p53羧基末端的Lys373、Lys382、Lys305(p300/CBP)和Lys320(PCAF)[15,16]。Lys320乙酰化可以增强p53蛋白生长阻滞作用[17]。Lys373乙酰化有助于p53N末端磷酸化,提高对于低亲和力结合位点转录活性,包括前凋亡目的基因,如Bax、p53AIP1和PIG3[18]。在DNA损伤时,Lys320和Lys373的乙酰化起着“感应器”的作用,使p53感应并协调损伤信号,进而决定细胞的“生长阻滞”和“死亡”。p53乙酰化后稳定性增高并激活p53的转录活性,加速DNA与RNA聚合酶Ⅱ的作用,对p53依赖性的凋亡反应和p53的稳定性有重要意义。p53的乙酰化位点也是泛素化位点,高水平的乙酰化很可能扰乱泛素化和其后对p53突变蛋白的降解,从而更有利于它的累积[12]。此外,研究发现,在细胞恶性转化之前,MKK7激酶可以感知基因组DNA的早期损伤,从而起到肿瘤抑制作用。MKK7激酶通过激活其下游信号分子JNK1和JNK2,使p53Ser6、Ser33和Thr81磷酸化而稳定p53,减少其降解,但不影响p53mRNA的表达,这又是细胞维护基因组稳定的一个重要通路[19]。而RPL26蛋白则可与p53mRNA5'-3'-UTR相互作用,增加p53mRNA的翻译,从而提高p53的表达[20]。3p53的负反馈调节在正常细胞中,p53与MDM2之间有着精细平衡,MDM2作为