Адам организміндегі p53 протеіні және оның қатерлі ісіктермен байланысы

Кіріспе

Homo sapiens-те кездесетін сүтқоректілер ақуызы p53, сонымен қатар ісік ақуызы P53, жасушалық ісік антигені p53 (UniProt атауы) немесе трансформацияға байланысты 53 ақуызы (TRP53) – адам қатерлі ісіктерінде жиі мутацияланатын реттеуші ақуыз. p53 ақуыздары (бастапқыда бір ақуыз деп есептелген және көбінесе бір ақуыз ретінде айтылады) омыртқалы жануарларда маңызды рөл атқарады, олар қатерлі ісіктердің пайда болуын қалпына келтірмейді. Осы себепті, p53 геномның мутацияға ұшырауының алдын алып, тұрақтылығын сақтаудағы рөліне байланысты "геномның күзетшісі" деп сипатталады. Сондықтан TP53 ісікке қарсы ген ретінде жіктеледі. Толық ұзындығы бар ақуызға қоса, адам TP53 гені кем дегенде 12 ақуыз изоформасын кодтайды.

Ген

Адамдарда TP53 гені 17-ші хромосоманың қысқа қолқасында (17p13.1) орналасқан. Толық геномдық мәліметтері бар көптеген сүтқоректілерде TP53 ортологтары анықталған.

Адамның TP53 гені

Адамдарда жиі кездесетін полиморфизм 4-экзонның 72-кодондық позициясында пролиннің аргининмен алмасуын қамтиды. Көптеген зерттеулер осы өзгеріс пен қатерлі ісікке бейімділік арасындағы генетикалық байланысты зерттеді, бірақ нәтижелер әртүрлі болды. Мысалы, 2009 жылғы мета-талдау жатыр мойны қатерлі ісігі үшін байланыс жоқ екенін көрсетті. 2011 жылғы зерттеуде TP53 пролин мутациясының ерлер арасындағы бүйрек безі қатерлі ісігі қаупіне елеулі әсері бар екені анықталды. Араб әйелдерін зерттеуде TP53 кодоны 72-дегі пролин гомозигоздығы сүт безі қатерлі ісігі қаупінің төмендеуімен байланысты болды. Бір зерттеу TP53 кодоны 72 полиморфизмі, MDM2 SNP309 және A2164G бірлесіп, ауыз қуысы мен жұтқыншақтың қатерлі ісігіне бейімділікпен байланысты болуы мүмкін екенін, ал MDM2 SNP309 және TP53 кодоны 72 үйлесімде әйелдерде ауыз қуысы мен жұтқыншақтың қатерлі ісігінің дамуын үдетуі мүмкін екенін көрсетті. 2011 жылғы зерттеу TP53 кодоны 72 полиморфизмінің өкпе қатерлі ісігі қаупінің артуымен байланысты екенін анықтады. 2011 жылғы мета-талдаулар TP53 кодоны 72 полиморфизмі мен ішек-толқын қатерлі ісігі және эндометрий қатерлі ісігі қаупі арасында маңызды байланыс таппады. 2011 жылы Бразилияда туған балалар тобын зерттеуде мутацияланбаған аргинин TP53 және отбасында қатерлі ісік оқиғасы болмаған адамдар арасында байланыс анықталды. 2011 жылғы тағы бір зерттеуде p53 гомозиготалық (Pro/Pro) генотипі бүйрек клеткалық карциномасы қаупінің айтарлықтай жоғарылауымен байланысты болды.

Көздік жасушалар

P53 деңгейі адамның дамуы және одан әрі өмірі бойында шешек жасушаларын сақтауда маңызды рөл атқарады. Адамның эмбриондық шешек жасушаларында (hESC) p53 төмен, инактивті деңгейде ұсталады. Себебі p53-тің белсендірілуі hESC-лердің жылдам дифференциациялануына алып келеді. Зерттеулер p53-ті жою дифференциацияны кешіктіретінін, ал p53-ті қосу спонтанды дифференциацияға себеп болатынын көрсетті, бұл p53 hESC-лердің дифференциациясын ынталандыратынын және жасуша циклінде дифференциацияны реттеуші ретінде маңызды рөл атқаратынын көрсетеді. P53 hESC-де тұрақтап, белсендірілген кезде, ол p21 деңгейін арттырып, ұзақ G1 фазасын құрайды. Бұл әдетте S фазасына енуді тоқтатып, жасуша циклін G1 фазасында тоқтатады, нәтижесінде дифференциация жүзеге асады. Дегенмен, егешкінің эмбриондық шешек жасушаларындағы жаңа зерттеулер P53 экспрессиясы міндетті түрде дифференциацияға алып келмейтінін көрсетті. p53 сондай-ақ miR 34a және miR 145-ті белсендіреді, олар hESC-нің көпүрлілік факторларын басады, осылайша дифференциацияны одан әрі күшейтеді. p53-тің басуы қатерлі ісік түбірлі жасушасының фенотипінде, индукцияланған көпүрлілік жасушаларында және басқа да шешек жасушаларының қызметтері мен мінез-құлқында, мысалы, бластема қалыптасуында маңызды рөл атқарады. p53 деңгейі төмендеген жасушалар қалыпты жасушаларға қарағанда шешек жасушаларына айқын артық тиімділікпен қайта бағдарланатыны дәлелденді. Мақалалар жасуша циклінің тоқтауы мен апоптоздың болмауы жасушалардың көпшілігіне қайта бағдарлану мүмкіндігін береді деп болжайды. Сондай-ақ, саламандрлердің аяқтарында бластема қалыптасуының маңызды аспектісі ретінде p53 деңгейінің төмендеуі анықталды. p53 реттелуі шешек жасушалары мен дифференциацияланған шешек жасушалары арасындағы, сондай-ақ шешек жасушаларының функционалды және қатерлі болу арасындағы тосқауыл ретінде өте маңызды.

Басқа

Жоғарыда аталған жасушалық және молекулалық әсерлерден өзге, p53 тіндік деңгейде қатерлі ісікке қарсы әсер етеді, ол ангиогенезді тежеу арқылы жұмыс істейді. Лейкемияны тежейтін факторды реттеу арқылы p53 егеуқұйрықтарда имплантацияны, ал мүмкін адамдарда көбею процесін жеңілдетеді. Инфекцияға иммундық жауапқа p53 және NF κB да қатысады. p53 ұяшық циклы мен апоптозды бақылауын кейбір инфекциялар, мысалы Mycoplasma бактериясы бұзып, онкогендік инфекция қаупін тудырады.

Реттеу

p53 жасушалық стресс сенсоры ретінде әрекет етеді. Әдетте, ол төмен деңгейде сақталады, себебі оны E3 убиквитин лигазасы MDM2 ақуызына үнемі ыдырауға белгілейді. p53 көптеген стресс факторларына жауап ретінде белсендіріледі, соның ішінде ДНК зақымдануы (көрінеу, УФ, ИФ немесе сутек пероксиді сияқты химиялық заттар), тотығу стресі, осмостық шок, рибонуклеотидтердің азаюы, өкпедегі вирус инфекциялары және онкогендердің экспрессиясының бұзылуы. Бұл белсенділік екі маңызды оқиғамен сипатталады. Біріншіден, p53 ақуызының жартылай өмір сүру мерзімі күрт ұлғаяды, нәтижесінде стресске ұшыраған жасушаларда p53 жылдам жинақталады. Екіншіден, конформациялық өзгеріс p53-ті осы жасушаларда транскрипциялық регулятор ретінде белсендіреді. p53-тің белсендірілуіне әкелетін маңызды оқиға – оның N-терминалды доменінің фосфорилирленуі. N-терминалды транскрипциялық активация доменінде көптеген фосфорилирлену орындары бар және оны стресс сигналдарын жеткізетін белок киназаларының негізгі нысанасы деп санауға болады. Бұл транскрипциялық активация доменін нысаналайтын белок киназаларын шамамен екі топқа бөлуге болады. Белок киназаларының бірінші тобы MAPK отбасының құрамына жатады (JNK1-3, ERK1/2, p38 MAPK), олар мембрана зақымдануы, тотығу стресі, осмостық шок, жылу шогы және т.б. сияқты бірнеше стресс түрлеріне жауап береді. Екінші топтағы белок киназалары (ATR, ATM, CHK1 және CHK2, DNA PK, CAK, TP53RK) геномдық тұтастықтың бақылау бекетіне қатысады, бұл молекулалық каскад генотоксикалық стрестен туындаған ДНК зақымдануының бірнеше түрлерін анықтап, оларға жауап береді. Онкогендер де p53 активациясын стимуляциялайды, бұл p14ARF ақуызымен жүзеге асырылады. Стресске ұшырамаған жасушаларда p53 деңгейі оның үнемі ыдырауы арқылы төмен ұсталады. Mdm2 деп аталатын ақуыз (адамдарда HDM2 деп те аталады) p53-ке байланысып, оның әрекетін бөгеп, оны ядроден цитозольге тасымалдайды. Mdm2 сондай-ақ убиквитин лигазасы ретінде әрекет етеді және убиквитиннің коваленттік байланысын p53-ке қосып, осылайша протеасомамен ыдырау үшін p53-ті белгілейді. Дегенмен, p53-тің убиквитинделуі қайтымды. p53 белсендірілген кезде Mdm2 де белсендіріледі, бұл кері байланыс циклын құрады. p53 деңгейі кейбір стрестерге жауап ретінде тербелістерді (немесе қайталанатын импульстарды) көрсете алады, және бұл импульстар жасушалардың стресске төтеп беруіне немесе өлуіне шешім қабылдауда маңызды рөл атқарады. MI 63 MDM2-ге байланысып, p53 функциясы тежелген жағдайларда p53-ті қайта белсендіреді. Убиквитинге тән протеаза USP7 (немесе HAUSP) p53-тен убиквитинді кесіп алып, осылайша оны убиквитин лигаза жолы арқылы протеасомаға тәуелді ыдыраудан қорғайды. Бұл – онкогендік факторларға жауап ретінде p53 тұрақтандырудың бір жолы. USP42 де p53-тің деубиквитинделуін қамтамасыз етеді және p53-тің стресске жауап беру қабілеті үшін қажет болуы мүмкін. Соңғы зерттеулер HAUSP негізінен ядрода орналасқанын көрсетті, бірақ оның бір бөлігі цитоплазмада және митохондрияларда да табылды. HAUSP-тің жоғары экспрессиясы p53 тұрақтандыруына әкеледі. Алайда, HAUSP-тің жойылуы p53 деңгейінің төмендеуіне әкелмейді, керісінше HAUSP Mdm2-ге байланысып, деубиквитиндеуіне байланысты p53 деңгейін арттырады. HAUSP-тің стресске ұшырамаған жасушаларда p53-ке қарағанда Mdm2-ге жақсы байланысатын серігі екені көрсетілді. Дегенмен, USP10 стресске ұшырамаған жасушаларда цитоплазмада орналасқан және цитоплазмалық p53-тің деубиквитинделуін қамтамасыз етеді, Mdm2 убиквитинделуін кері қайтарады. ДНК зақымдалғаннан кейін USP10 ядроға транслокацияланады және p53 тұрақтылығына үлес қосады. Сондай-ақ USP10 Mdm2-мен өзара әрекеттеспейді. Кейбір онкогендер MDM2-ге байланысатын және оның белсенділігін тежейтін ақуыздардың транскрипциясын да стимуляциялай алады.

p53 acts as a cellular stress sensor. It is normally kept at low levels by being constantly marked for degradation by the E3 ubiquitin ligase protein MDM2. p53 is activated in response to myriad stressors – including DNA damage (induced by either UV, IR, or chemical agents such as hydrogen peroxide), oxidative stress, osmotic shock, ribonucleotide depletion, viral lung infections and deregulated oncogene expression. This activation is marked by two major events. First, the half life of the p53 protein is increased drastically, leading to a quick accumulation of p53 in stressed cells. Second, a conformational change forces p53 to be activated as a transcription regulator in these cells. The critical event leading to the activation of p53 is the phosphorylation of its N terminal domain. The N terminal transcriptional activation domain contains a large number of phosphorylation sites and can be considered as the primary target for protein kinases transducing stress signals. The protein kinases that are known to target this transcriptional activation domain of p53 can be roughly divided into two groups. A first group of protein kinases belongs to the MAPK family (JNK1 3, ERK1 2, p38 MAPK), which is known to respond to several types of stress, such as membrane damage, oxidative stress, osmotic shock, heat shock, etc. A second group of protein kinases (ATR, ATM, CHK1 and CHK2, DNA PK, CAK, TP53RK) is implicated in the genome integrity checkpoint, a molecular cascade that detects and responds to several forms of DNA damage caused by genotoxic stress. Oncogenes also stimulate p53 activation, mediated by the protein p14ARF. In unstressed cells, p53 levels are kept low through a continuous degradation of p53. A protein called Mdm2 (also called HDM2 in humans), binds to p53, preventing its action and transports it from the nucleus to the cytosol. Mdm2 also acts as an ubiquitin ligase and covalently attaches ubiquitin to p53 and thus marks p53 for degradation by the proteasome. However, ubiquitylation of p53 is reversible. On activation of p53, Mdm2 is also activated, setting up a feedback loop. p53 levels can show oscillations (or repeated pulses) in response to certain stresses, and these pulses can be important in determining whether the cells survive the stress, or die. MI 63 binds to MDM2, reactivating p53 in situations where p53's function has become inhibited. A ubiquitin specific protease, USP7 (or HAUSP), can cleave ubiquitin off p53, thereby protecting it from proteasome dependent degradation via the ubiquitin ligase pathway. This is one means by which p53 is stabilized in response to oncogenic insults. USP42 has also been shown to deubiquitinate p53 and may be required for the ability of p53 to respond to stress. Recent research has shown that HAUSP is mainly localized in the nucleus, though a fraction of it can be found in the cytoplasm and mitochondria. Overexpression of HAUSP results in p53 stabilization. However, depletion of HAUSP does not result in a decrease in p53 levels but rather increases p53 levels due to the fact that HAUSP binds and deubiquitinates Mdm2. It has been shown that HAUSP is a better binding partner to Mdm2 than p53 in unstressed cells. USP10 however has been shown to be located in the cytoplasm in unstressed cells and deubiquitinates cytoplasmic p53, reversing Mdm2 ubiquitination. Following DNA damage, USP10 translocates to the nucleus and contributes to p53 stability. Also USP10 does not interact with Mdm2. Some oncogenes can also stimulate the transcription of proteins that bind to MDM2 and inhibit its activity.

P53 мутацияларының эксперименттік талдауы

P53 мутацияларының көпшілігі ДНК тізбектеу арқылы анықталады. Дегенмен, жалғыз қателік мутацияларының функционалдық әсерлері өте жеңілден өте ауырға дейін кең спектрде болуы белгілі. TP53 мутациясы энергия метаболизміне де әсер етеді және сүт безі қатерлі жасушаларында гликолизді күшейтеді. P53 ақуыздарының динамикасы, оның қарсыласы Mdm2-мен бірге, p53 концентрациясының уақытқа байланысты тербеліске түсетінін көрсетеді. Бұл «өшірілген» тербеліс клиникалық жағдайда расталып, математикалық модельдеуге алынған. Математикалық модельдер сондай-ақ, екі тізбекті үзілістер (DSB) немесе ультракүлгін сәулелену сияқты тератогендер жүйеге енгізілген кезде p53 концентрациясының әлдеқайда жылдам тербелетінін көрсетеді. Бұл p53 динамикасының қазіргі түсінігін қолдайды және модельдейді, онда ДНК зақымдануы p53 белсенділігін тудырады (толық ақпарат алу үшін p53 реттелуін қараңыз). Ағымдағы модельдер p53 изоформаларындағы мутацияларды және олардың p53 тербелісіне тигізетін әсерін модельдеуге де пайдалы, соның арқасында тіндік ерекшеліктеріне ие жаңа фармакологиялық препараттарды табуға көмектеседі.

Ашылу

p53 1979 жылы Лионель Кроуфорд, Дэвид П. Лейн, Арнольд Левин және Ллойд Олд анықтады, олар Императорлық қатерлі ісіктерді зерттеу қорында (Ұлыбритания), Принстон университеті/UMDNJ (Нью-Джерси қатерлі ісіктер институты) және Мемориалдық Слоан Кеттеринг қатерлі ісіктер орталығында жұмыс істеді. Бұрын SV40 вирусының нысанасы ретінде, яғни ісіктердің дамуын тудыратын штамм ретінде болған деп болжанған. p53 атауы 1979 жылы оның шамамен молекулалық массасын сипаттау үшін берілді. ТП53 генін алғаш рет 1982 жылы КСРО Ғылым академиясының Питер Чумаков клонды, ал 1983 жылы Дэвид Гиволмен (Вейцманн ғылым институты) бірлесіп Моше Орен де клонды. Адамның TP53 гені 1984 жылы клондалды.

Бастапқыда ісік тудыратын ген (онкоген) деп есептелді, себебі қатерлі жасушалардың mRNA тазартылғаннан кейін мутацияланған cDNA қолданылды. Оның ісікті басушы ген ретіндегі рөлі 1989 жылы Джонс Хопкинс медицина мектебіндегі Берт Вогельштейн және Принстон университетіндегі Арнольд Левин анықтады. p53 трансскрипция факторы ретінде MD Андерсон қатерлі ісіктер орталығындағы Гильермина Лозано анықтады. Рутгерс университетінің Уаксман институтындағы Уоррен Мальцман алғаш рет ТП53 ультракүлгін сәулелену түріндегі ДНК зақымдануына жауап беретінін көрсетті. 1991–92 жылдардағы бірқатар жарияланымдарда Джонс Хопкинс университетінің Майкл Кастан ТП53 клеткалардың ДНК зақымдануына жауап беруіне көмектесетін сигналдарды беру жолының маңызды бөлігі екенін хабарлады. 1993 жылы "Science" журналы p53 молекуласын «Жыл молекуласы» деп таныды.