p53基因与肿瘤

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p53

来源：BV1f4411n7x9 【陈巍学基因】视频37 p53基因与肿瘤

p53基因简介

1. p53基因，又称TP53基因，其全称为Tumor Protein 53
2. p53基因是防止正常细胞转变为癌细胞的，一个重要的看门基因；一个细胞的p53基因突变后，这个细胞发生癌变的可能性就大大增加了
3. 50%以上的肿瘤病例当中有p53基因的突变或丢失
4. p53基因位于第17号染色体的短臂上，编码一个有393个氨基酸残基的蛋白质
5. 这个蛋白被称为p53，是因为其在电泳中，条带处于分子量Marker所标示的，53KD的位置，但是p53蛋白的分子量，实际上为43.7kD。
   p53电泳速度被拖慢，是因为其含有大量的脯氨酸proline
6. p53蛋白刚翻译出来的时候，是以单体形式存在的，没有活性的；只有当4个单体聚合成一个同源四聚体后，才会获得活性
7. p53蛋白总是把细胞向静止、修复、死亡的方向进行调控

p53基因和蛋白的结构与功能

p53蛋白的6个结构域

1. 第1个结构域：第1个氨基酸残基-第43个，为第一个转录激活功能域transcriptional activation domain 1，TAD1
2. 第2个结构域：第44个氨基酸残基-第63个，为第二个转录激活功能域TAD2
3. 第3个结构域：第64个氨基酸残基-第92个，为富含脯氨酸的区域，称proline-rich domain，PRD
4. 第4个结构域：第102个氨基酸残基-第292个，为DNA结合域，DNA-binding domain，DBD，与特定序列的DNA相识别，并且进行结合的功能域
5. 第5个结构域：第320个氨基酸残基-第355个，负责将4个p53蛋白单体聚合成一个四聚体，称tetramerization domain
6. 第6个结构域：第356个氨基酸残基-第393个，是羧基端的调控区，这一段包含了3个让p53蛋白定位到细胞核内的信号

p53蛋白在抑制癌症的发生发展中，起到的作用

1. 不允许有DNA损伤的细胞进行分裂和增殖：在有DNA损伤时，p53可以把细胞停留在细胞周期的G1期，避免细胞进入S期
2. 在DNA受到损伤时，p53会启动对DNA的修复功能
3. 对于难以修复DNA损伤的细胞，p53就会将细胞老化senescence，即让这个细胞永远不能分裂
4. 当DNA有严重的损伤时，p53会启动细胞的凋亡apoptosis，减少有DNA突变的细胞转变成癌细胞的可能性

p53基因受到的调控

对p53蛋白浓度的调控

MDM2蛋白对p53蛋白的调控

1. MDM2蛋白是对p53蛋白进行调控的重要因素，其本质是一个泛素连接酶
2. MDM2可以与p53结合，把泛素连接到p53上，激活蛋白酶体的蛋白降解途径
3. p53蛋白会启动MDM2基因的转录：p53蛋白数量增加时，就会促进MDM2蛋白的生成，增多的MDM2蛋白降解p53蛋白
4. p53蛋白，在通常情况下，半衰期在6分钟到20分钟之间，这时候p53蛋白会在细胞中，保持一个相对较低的浓度水平

DNA损伤对p53的调控

当细胞受到剧烈的DNA损伤时，ATM蛋白和ATR蛋白的数量开始增加，两者都会抑制MDM2，MDM2减少，p53蛋白的半衰期就相应地延长了

• ATM蛋白：ataxia telangiectasia-mutated gene，共济失调毛细血管扩张突变基因，是与DNA损伤检验有关的一个重要基因
• ATR蛋白：ataxia telangiectasia and Rad3-related，即“共济失调毛细血管扩张突变基因Rad3相关激酶，ATR激酶激活后可通过多种信号调控细胞生物过程, 包括细胞周期阻滞、抑制复制起点、促进脱氧核苷酸合成、启动复制叉以及修复DNA双链断裂）

细胞增殖信号对p53蛋白的调控

当有高的细胞增殖信号的时候，ARF蛋白的量会增加，ARF也能抑制MDM2，MDM2减少，p53蛋白的半衰期就相应地延长了

• 腺苷二磷酸核糖基化因子（ARF）家族属于小型GTPases的RAS超家族，通过调节膜运输和与细胞骨架的结合，参与多种生理过程，例如细胞增殖，运动和分化。像RAS超家族的其他成员一样，ARF家族蛋白被鸟嘌呤核苷酸交换因子（GEF）激活

对p53蛋白分子活性的调控

1. ATM蛋白和/或ATR蛋白可以直接磷酸化p53蛋白
2. ATM蛋白和/或ATR蛋白还可以增加CHK1和CHK2蛋白的的表达量，CHK1和CHK2也能磷酸化p53蛋白
3. 被磷酸化的p53蛋白，与目标DNA的结合能力会大大增强；此外，被磷酸化的p53蛋白，与MDM2的亲和力会下降，即被泛素化降解的速度也会变慢

能够激活p53的外界因素

1. DNA损伤
2. 强增殖信号
3. 氧化压力
4. 缺氧
5. 缺少营养
6. 缺少核苷酸
7. 复制压力
8. 端粒损耗

• 这些因素都会增加细胞中p53的浓度，并且促进p53的磷酸化

p53基因对下游的调控

• 当p53的浓度升高，并且被磷酸化以后，p53蛋白就会开始对下游的调控了
• p53对下游基因的调控，主要是作为反式调控因子，作用于目标基因的顺式作用元件，增强部分基因的表达，也会减少另一部分基因的表达
  这里介绍一些比较代表的基因，注意不是全部
  • 细胞周期捕获：将细胞阻止在G1期，防止细胞进入S期
  • DNA修复
  • 细胞老化
  • 细胞凋亡
  • 代谢和抗氧化：p53的调控方向是减弱细胞的合成代谢
  • 细胞自噬：加强细胞自噬
  • 肿瘤微环境：加强周围的免疫反应和炎症反应，吸引更多的巨噬细胞和免疫细胞，“向我开炮”
  • 细胞的侵袭和转移能力：减弱细胞的侵袭和转移能力
  • 干细胞功能：阻止干细胞功能（干细胞和肿瘤细胞有很多相似性，它们都有很强的增殖能力，分化程度都很低，肿瘤细胞就像体细胞发生了逆分化，向干细胞进行倒退的结果）

p53基因在肿瘤中的突变

• 肿瘤当中p53基因的突变，75%是错义突变，错义突变的空间位置主要集中在p53蛋白与目标DNA结合的结构域中，我们还能发现这些突变中，有6个氨基酸残基的突变频率特别高
  
  
  • 有研究表明，突变的p53基因的表达产物，mutant-p53蛋白，不仅会丧失抑制肿瘤生长的功能，还会在一定程度上促进肿瘤的生长，可能的机理如下：
    • p53蛋白要变成4聚体才能发挥作用，而mutant-p53蛋白与wild-type-p53（以下写作wt-p53）蛋白结合后，让整个四聚体都失去了抑癌活性，即“一颗老鼠屎坏了一锅粥”
    • p53蛋白的氨基酸序列改变之后，会结合到原本不应该结合的基因上，启动/抑制了原本不该被调控的基因，这可能在一定程度上抑制肿瘤的发生

针对p53基因失活的药物的研发情况

• 在目前为止，还没有任何一个针对mutant-p53的靶向药物上市

为什么研发p53基因的药物如此困难

• EGFR和ALK基因都是激酶，它们的突变引起的癌症，都是因为细胞对它们的激酶活性失去了控制，失控的激酶活性变得很强
• 一个奇特的比喻：抢劫犯（肿瘤驱动基因）冲进小区进行抢劫（细胞异常增殖），那么我们对付这种抢劫犯，最直接的办法就是瞄准（基因伴随诊断找到驱动基因），开枪（靶向药物治疗）；只要把抢劫犯打倒（用药物抑制住肿瘤驱动基因），小区就安全了
• p53是不一样的：p53是一个小区保安，保安在健康的时候，可以防止坏人进来你，mutant-p53相当于小区保安突然死亡，导致小区的大门无人值守，坏人冲进来抢东西（发生肿瘤）；想要把一个倒地不起的保安（突变失活的p53）救起来，再请复活的保安把坏人赶出小区的难度，肯定要大于直接对着抢劫犯开枪

现有的进展

• 能够与mutant-p53蛋白结合的两种化合物
  
• 这两种化合物能在一定程度上恢复mutant-p53蛋白与DNA结合的能力，并且能够增强其引导细胞凋亡的能力
• 这两个化合物，距离成为正式的上市药物，还非常地遥远

p53基因的数量改变及其影响

少一个p53基因

• 一个人的基因组中天生少一个wt-p53基因的疾病：Li-Fraumeni综合症；患者得癌症的概率远远高于普通人，50%的患者在30岁前得癌症，90%的患者会在70岁前得癌症

多一个或几个p53基因

• 得癌症的概率会，但我们很可能不愿意承担对应的代价
• 能够实现这一点就很有挑战，转基因或胚胎修饰在伦理上不能过关
• 增加p53基因的拷贝，很可能会让人提前衰老，因为p53基因总是倾向于让细胞不分裂和不增殖，这时组织和器官就得不到足够的、新的细胞的补充了，人就很容易显得衰老
• 自然界有多个p53基因拷贝的动物：大象
  • 大象的体重是7-8吨，我们可以说一个大象的体重相当于100个成年人的体重，也就是大象身上的体细胞的数量，是人的提细胞数量的100倍
  • 如果大象的每个细胞的癌变几率，与人类细胞的几率是一样的，那么大象得癌症的概率就是人类的100倍了
  • 科学家解剖了一些死亡的大象后发现，大象因为癌症死亡的比例大约是3%，而在人类中，这个比例超过了10%，即大象得癌症的机率比人类低，平均到每个细胞，大象的每个细胞发展为癌下波的机率就比人类细胞低很多了
  • 研究发现大象有20个p53基因，即每个细胞里有40个p53基因的拷贝
  • 可以说：大象是用p53基因拷贝数量的冗余，来保证低的细胞癌变风险