Опухоль-супрессорный ген p53 кодирует рост-регуляторный белок. Последний является мультифункциональным протеином, играющим роль в:

• модулировании генной транскрипции,
• контролировании клеточного цикла,
• aктивации апоптоза,
• контролировании ДНК репликации и репарации и поддержании геномной стабильности в ответ на генотоксические инсульты.

Мутации p53 гена является наиболее известным промотором формирования канцера.

p53 представляет 393 аминокислотный ядерный фосфопротеин, который функционирует как транскрипторный энхансер нескольких повреждение ДНК- и остановка роста-индуцируемых генов благодаря последовательность-специфическому ДНК-связыванию. Высокие уровни p53 индуцируют синтез продуктов транскрипторных генов, включенных в aпоптотический механизм. Активность p53 протеина очень строго контролируется aллостерической регуляцией его ДНК-связывающей способности и регуляцией стабильности протеина.

Ген p53 локализуется на хромосоме 17:17p12-17p13.3. Процессинг p53 протеина заключается во множественном его фосфорилировании. p53 образует олигомерные структуры со многими клеточными белками, которые существенно изменяют его конформацию. Он являет активатором и супрессором транскрипции. В состоянии покоя клеток уровень экспрессии p53 низок. В стимулированных клетках скорость его транскрипции возрастает. Период полураспада мРНК p53 в покое составляет около 1 часа.

p53 активируется генотоксическими стрессорами и регулирует транскрипцию, по меньшей мере, двух сетов генов. Один из сетов ответственен за временную остановку клеточного деления в фазе G1, а другой контролирует инициацию апоптоза. В норме p53 элиминирует оксидация-поврежденные клетки из популяции, опосредуя их необратимый арест в фазе G1.

ДНК повреждение повышает уровни p53, приводящее к транскрипторной активации генов остановки роста и инициации G1 ареста. PI 3-киназа включена в активацию p53 после повреждения ДНК. p110 PI 3-киназа - димер, состоящий из 85 кДа регуляторной субъединицы и 110 кДа киназной субъединицы, который может использовать фосфоинозитиды и протеины как субстрат.

Протеин p53 является главной детерминантой клеточного механизма, приводящего к програмированной нейрональной смерти. Индукция p53 является маркером необратимого повреждения постмитотических клеток в центральной нервной системе и может иметь функциональную значимость в предопределении селективной нейрональной ранимости.

В пределах нескольких часов после судорог уровни p53 мРНК повышаются в нейронах ранимых мозговых областей. Эти нейроны демонстрируют морфологические черты клеточного повреждения; сходное распределение наблюдается для нейронов, имеющих повреждение ДНК. Экспрессия p53 протеина и p53 мРНК индуцируется после временной церебральной ишемии. После кратковременной ишемии мозга клеточная экспрессия p53 протеина происходит в областях, демонстрирующих тяжелое нейрональное повреждение. Она носит отсроченный характер: максимальная индукция p53 протеина наблюдается к 12 часам реперфузии, а экспрессия p53 мРНК достигает пикового уровня к концу суток реперфузии. Подобная задержка в синтезе "белка-смерти" предполагает успешность нейрозащиты спустя много часов после инцидента ишемии.

Важно, что снижение экспрессии p53 гена более эффективно снижает объем мозгового ишемического повреждения, чем полное отсутствие экспрессии гена. Видимо, это связано с активной ролью p53 в процессах репарации ДНК. Протеин p53 связывается с единственной цепью ДНК в течение восстановительных реакций, и протеины, кодируемые двумя p53-регуляторными генами, связываются по меньшей мере с одним протеином, включенным в процессинг поврежденной ДНК, включая репарацию путем нуклеотидного вырезания (NER). NER представляет важный и многосторонний ДНК репарационный механизм, являющийся главным путем для восстановления от оксидативного повреждения (типа ультрафиолета) и повреждения различными канцерогенами и мутагенами. Если компоненты p53 пути включены в NER, тогда нарушения p53 функции мутациями или экспрессией определенных вирусных протеинов могут иметь важную причастность к канцерогенезу (и лечению канцера). Нарушение нормальной p53 функции приводит к сниженной репарации оксидативный стресс-индуцированного ДНК повреждения; это в свою очередь вызывает снижение выживаемости нейрональных и глиальных клеток после оксидативного стресса. Этим можно объяснить большую ишемическую гибель клеток, полностью потерявших p53 ген, относительно сниженной его экспрессии.

Преобладающая регуляция p53 наблюдается в уровне протеина. Мутации в p53, изменяющие его конформацию, типично увеличивают период его полураспада, в частности ингибируя деградацию убиквитиновым комплексом, и большинство человеческих опухолевых мутаций уменьшают последовательность-специфическое ДНК связывание и транскрипторную активность p53 протеина. В нестрессированных клетках, p53 присутствует на низких уровнях и существует в латентной, неактивной форме, которая требует модификации для активации.

Идентифицивана протеинкиназа, которая фосфорилирует p53 в единственном сайте, по серину 34, основном сайте фосфорилирования в клетке. Эта протеинкиназа сильно активируется после оксидативного стрессирования клеток и имеет молекулярный вес приблизительно 45 кДа. Видимо, p53 киназа активируется фосфорилированием и является членом стресс-активируемых протеинкиназ семейства МАР киназ. Фосфорилирование p53 по серину 34 может быть ключевым событием в механизме сигнальной трансдукции, который координировано контролирует ключевые ядерные протеины в ответ на oксидативный стресс или повреждение ДНК.

Мутации p53 гена является наиболее распространенной причиной ряда человеческих опухолей, включая опухоли ЦНС. В большинстве случаев, мутация одной аллели p53 сопровождается потерей оставшегося аллели дикого типа, что в итоге приводит к возникновению клеток с полным отсутствием функционального p53 протеина. Однако, в некоторых ситуациях, таких как инициирование спонтанно возникающих глиом, клетки обладают и диким типом и мутантным p53 аллелями. Подобные мутации p53, видимо, вызывают как потерю опухоль-супрессорной функции, так и возрастание потенциала онкогенной трансформации.

p53 - наиболее часто измененный ген в человеческом канцере. Протеин, кодируемый геном, в нормальных условиях функционирует как опухолевый супрессор, однако некоторые мутантные формы промоторируют развитие опухолей. Нормальный p53 служит для защиты от последствий действия ДНК-повреждающих агентов. Повреждение ДНК сигнализирует к накоплению p53, который в свою очередь блокирует прогрессирование клеточного цикла в G1 фазе, таким образом препятствуя репликации ДНК до репарации повреждения. Если повреждение нерепарируемо, p53 вызывает апоптоз. Таким образом, p53 инактивируемый мутациями делает клетку чувствительной к ДНК разрушительным агентам.

Функциональная инактивация p53 в результате мутации и делеции гена, деградации протеина или связывании вирусным онкогеном делает клетки млекопитающих восприимчивыми к онкогенным стимулам и окружающим инсультам, которые промотируют дерегуляцию роста и злокачественное прогрессирование. p53 объединяет сигналы от внутренней и внешней среды клетки для ответа на несоответствующие рост-промотирующий или рост- ингибирующие состояния. Эта функция "сенсора" p53 делает это необычным в семье опухоль-супрессорных генов.

p53 является только одним компонентом сети реакций, которые достигают высшей точки в опухолевом формировании.

Следствия потери p53, p63 или p73 для развития и восприимчивости рака весьма различны, который поднимает вопрос: насколько подобны регуляция и функция из этих трех протеинов? Все три протеина разделяют подобие последовательности, хотя p63 и p73 более подобны друг другу чем к p53, с самым высоким степенью гомологии в центральной ДНК-связывающей области (рис. 1), и каждый может функционировать как транскрипторный фактор. Однако, в отличие от p53, p63 и p73 показывают изумительно сложные паттерны экспрессии, которые следуют из альтернативного сплайсинга и (для p63) промоторное использование, которые результируют экспрессией по крайней мере 14 изоформ p63 и шести изоформ p73. Путь, которым экспрессия этих форм p63 и p73 регулируется в различных тканях и в течение развития, еще не известен. Однако, наблюдение, что различные изоформы могут иметь различные или даже противоположные функции, как выдвинуто на первый план рядом p63 протеинов, потерявших N-концевой транскрипция-активационный домен, подчеркивает насколько важен контроль сплайсинговых.

Рисунок 2. Сравнение структур p53, p63 и p73 протеинов. В целом, p63 и p73 более близко связаны друг с другом чем к p53. Самая высокая гомология между этими тремя протеинами находится в пределах центрального последовательность-специфического ДНК-связывающего домена (~60% гомологичных остатков), со значительным подобием в N-концевом домене трансактивации и C-концевом домене олигомеризации. Потенциальные области с протеиновым взаимодействием включают пролин-богатые домены, найденные во всех трех протеинах и SAM-подобные домены, замеченные только в p63 и p73.

Несколько различий включают:

• Два независимых транскриция-активационных домена были найдены в N конце p53, но эта организация еще не была описана в p63 и p73,
• дополнительный домен трансактивации, не найденный в p53 недавно был описан в C конце p73.
• Также различия между p53 и p73 в том, как они взаимодействуют с транскрипторными коактиваторами типа p300.

Интенсивный анализ транскрипция-активационной функции p53 показал большую и расширяющуюся группу генов, чей экспрессия активируется p53. Многие из этих p53-target ген могут также быть активированы p63 и p73, хотя имеются ясные различия в эффективности, с которой каждый целевой ген может индуцироваться различными p53-family членами. Пока, никакие гены-мишени, специфично активированные p63 и/или p73, но не p53, не были идентифицированы.

Дальнейшие различия между p53 и p63 или p73 могли лежать в транскрипторно независимых функциях каждого протеина. Хотя транскрипторная активация p53, включающая оба из N-концевых доменов трансактивации, способствует индукции программированной клеточной смерти, апоптотические функции p53, которые видимо быть независимый от транскрипции также были описаны. Сохранение этой активности в p73 и p63 еще не было исследовано, хотя делеция C-концевой области p73alpha позволила разделить транскрипторную активность и способность индуцировать апоптоз.

Вероятно, транскрипция-независимая активность p53 семьи зависит от взаимодействий с другими протеинами и может включать пролин-богатый домен, найденный в N конце всех членов семьи, хотя эта область p53 также связана с регуляцией экспрессии потенциальных апоптотических генов-мишеней. Трехмерная структура C-концевого домена некоторых изоформ человеческого p73 и p63 также показала подобие SAM (sterile alpha) предполагаемому домену протеин-протеинового взаимодействия, который отсутствует в p53 и может медиировать протеиновые взаимодействия, специфичные для p63 и p73.

Скорее чем мутационная инактивация p63 и p73 в течение развития опухоли, возможный вклад в контроль злостного прогрессирования связан с фактом, что каждый из p53 членов семьи способен изменять активность других. Все члены p53 протеиновой семьи содержат домены олигомеризации и формируют гомотетрамеры, и эта ассоциация, вероятно, будет необходима для эффективной транскрипторной активности. Однако, способность олигомеризоваться может также вести к инактивации протеина дикого типа, который формирует комплекс с мутантным протеином. Это могло бы стать важным в течение онкогенеза, в течение которого точковые мутации часто результируют экспрессией p53 протеина с единственной аминокислотной заменой в ДНК-связывающем домене. Эти типы изменений не только инактивируют мутантный протеин но также и, как следствие олигомеризации между мутантом и протеином дикого типа, могут вести к инактивации дикого типа p53, экспрессируемого незатронутой аллелью.

Для нормального клеточного роста и развития, остановка клеточного цикла и апоптотические функции p53 и других членов семьи должна сильно регулироваться и активироваться только когда необходимый и соответствующий. Активность p53 регулируется прежде всего через контроль относительно протеиновой стабильности, хотя переключение с латентной в активную форму p53 протеина может также играть важную роль. В нормально растущих клетках, p53 имеет быстрый оборот, и уровни протеинов очень низки. В ответ на стрессорные сигналы, которые активируют p53 ответ, типа повреждения ДНК, гипоксии, повреждения митотического веретена или онкогенной активации, p53 стабилизируется и уровни протеина быстро повышаются.

Инактивация p53 гена в большой пропорции человеческих раковых образований вдохновила интенсивный поиск физиологических и биологических свойств кодируемого белка. Экспрессия p53 стимулирует или устойчивый арест роста или запрограммированную клеточную смерть (апоптоз). У человека колоректальные раковые образования, арест роста зависит от транскрипторной индукции белка p21WAF1/CIP1.

Хорошо известная биохимическая особенность p53 - его способность активизировать транскрипцию генов:

из 7,202 транскриптов, индуцированных p53 перед началом апоптоза, только 14 (0.19 %) заметно увеличиваются в p53-экспрессируемых клетках по сравнению с клетками контроля. Многие из этих генов кодируют белки, которые могли генерировать или отвечать на окислительный стресс.

p53 результирует в апоптоз через процесс с тремя шагами: (1) транскрипторная индукция редокс-связанных генов; (2) формирование реактивных видов кислорода; и (3) окислительная деградация митохондриальных компонентов, достигающая высшей точки в клеточной смерти.

P21WAF/CIP1 - важный регулятор прогрессии клеточного цикла. После индукции, p21WAF/CIP1 протеин ингибирует прогрессию клеточного цикла в транзите G1/S, результируя остановкой роста клетки. P21WAF/CIP1 индуцируется в течение 72 час гипероксии. Гипероксия-индуцированная p21WAF/CIP1 экспрессия медиируется через p53 путь.

Преобладающая регуляция p53 наблюдается на уровне протеина. Мутации в p53, которые изменяются его конформацию, типично повышают период его полужизни, частично ингибируя деградацию комплексом убиквитина, и большинство человеческих опухолевых мутаций уменьшают последовательность-специфическое связывание ДНК и транскрипторную активность p53 протеина. В нестрессированных клетках, p53, кажется, присутствует в низких уровнях и существует в латентной, неактивной форме, которая требует модификации для активации. Типы модификации, которым подвергается p53, видимо, являются стресс-, вид- и клеточный тип-специфическими. Уровни и/или активность p53 повышаются в ответ на ДНК разрушительные агенты, уменьшенный кислород, онкогенные стимулы, адгезию клетки, измененные пулы рибонуклеотидов и редокс стресс. Хотя все эти стресс-сигналы активируют p53 протеин, уникальные пути, видимо, используются различными стрессами.

Важность p53 и модификаций, которые изменяются его функции, не ограничена злокачественными болезнями. Активность p53 может увеличиваться в нормальных тканях, которые подвергаются патофизиологическим изменениям, результирующим окислительным или редуктивными стрессами, типа ишемии и реперфузионного повреждения мозга, сердца, и других тканей. Таким образом оба окислительных стресс, генерируемый перекисью водорода, также как редуктивный стресс, генерируемый потерей кислорода, видимо, являются мощными стимуляторами p53 активности. Кроме того, связь между функцией p53 и модуляцией ангиогенеза далее вовлекает p53 пути в процессы заживления раны и ответы на ишемические повреждения.

Имеются немного примеров ситуаций, в которых p53 активность контролируется изменением уровеня p53 мРНК. Это наблюдение совместимо с потребностью типично модулировать функцию p53 в чрезвычайно быстрой манере в больштнстве физиологических ситуаций, и с более эффективной регуляцией и "тонкой настройкой", которая может быть сделан модулированием протеинового продукта непосредственно. Кроме того, могло бы также быть невыгодно регулировать p53 на транскрипторном уровне после повреждения шаблона ДНК.

Более половины человеческих раковых образований содержат мутации в p53 гене. Характер этих генетических изменений в раковых клетках - наиболее обычно миссенс-мутация в одной аллели, продуцируя дефектный протеин, который затем наблюдается при высоких концентрациях в этих клетках, сопровождается уменьшением к гомозиготности. Более редко, делеции или цепь-терминирующие мутации в p53 гене указывают, что нулевой фенотип предрасполагает к раку. Имелись некоторые предложения, чтобы миссенс-мутации, продуцируя дефектный p53 протеин, могут способствовать фенотипу "gain of function" ("увеличения функции").

Таблица 1. Продукты генов, транскрипторно активируемых p53

В то время как большое количество других ген было предположено, чтобы регулироваться посредством p53, этот список прежде всего показывает гены, содержащие p53-зависимые, цис-действующие, ДНК-отвечающие элементы.

P53 использует гидрофобный интерфейс в N-концевом домене для взаимодействия с транскрипторными машинами клетки и его отрицательными регуляторами.

Таблица 2. Протеины, которые функционально взаимодействуют с p53