Regulation und Funktion des Promi-Moleküls p53

P53 ist das wichtigste Tumorsuppressorgen mit vielfältigen und leistungsstarken Funktionen. Seit der Entdeckung im Jahr 1979 ist p53 ein „Starmolekül“ der Molekularbiologie und Onkologie. Mit der Stichwortsuche „p53“ in der PubMed-Datenbank können über 100000 Artikel gefunden werden.

1. Regulation von p53: Posttranslationale Proteinmodifikationen sind ziemlich wichtig.

Um seine vielfältigen Funktionen präzise erfüllen zu können, erfordern Expression und Aktivität von p53 eine präzise und mehrstufige Regulation auf Protein-, DNA- und RNA-Ebene.

2. Regulation auf Proteinebene

Das p53-Protein kann verschiedene PTMs durchlaufen, einschließlich Ubiquitinierung,
Phosphorylierung, Acetylierung, Sumylierung usw. Verschiedene Stimulationssignale bestimmen Ort und Art des PTMs.

Viele PTMs von p53 sind reversibel. Zu den Wirkungen von PTM auf p53 gehören Veränderungen des Proteinspiegels, der Zelllokalisation, der Kofaktorrekrutierung, der Zielgenselektivität und sogar der Proteinaggregation. Ubiquitinierung, Phosphorylierung und Acetylierung sind die häufigsten und einflussreichsten Faktoren für die p53-Funktion.

1) Ubiquitinierung

Die Ubiquitinierung erfolgt im Allgemeinen am C-Lysinrest von p53. MDM2 ist der bekannteste regulatorische Faktor für p53. Er bewirkt die Ubiquitinierung und den Abbau von p53, um niedrige p53-Spiegel in unstimulierten Zellen aufrechtzuerhalten oder nukleäres p53 ins Zytoplasma zu exportieren. Viele Stimuli und regulatorische Faktoren aktivieren p53, dadurch dass sie die Hemmung von MDM2 verringern. Beispielweise kann das Protein p14ARF p53 stabilisieren, dadurch dass es den MDM2-vermittelten Abbau von p53 hemmt. Überzeugende Belege für die Bedeutung der MDM2-vermittelten p53-Hemmung stammen aus Mausmodellen, in denen die durch MDM2-Mangel induzierte embryonale Letalität durch Ausschalten von p53 wiederhergestellt werden kann.

Interessanterweise ist MDM2 selbst ein Zielgen von p53. Die von MDM2-p53 gebildete Rückkopplungsschleife bildet den Kern der p53-assoziierten Signalwege. MDMX (oder MDM4) gehört zu der MDM2-Familie und kann Heterodimere mit MDM2 bilden und dann den Abbau von p53 verstärken, obwohl es keine E3-Ubiquitinligase-Aktivität besitzt. Andere E3-Ubiquitinligasen, die p53 abbauen können, sind ARF-BP1/HUWE1, COP1, CHIP und Pirh2.

2) Phosphorylierung

Die Phosphorylierungsstellen von Serin und Threonin sind über das gesamte p53-Protein verteilt. Die Phosphorylierung von p53 durch ATM war der erste Mechanismus, der zur Erklärung der Reaktion von p53 auf DNA-Schäden verwendet wurde. Die Phosphorylierung von S15, T18 und S20 unterbricht die Bindung und Hemmung von MDM2 an p53 und verstärkt gleichzeitig die Interaktion zwischen p53 und Transkriptionsfaktoren wie CBP. Das Ergebnis ist die Aktivierung der p53-vermittelten Transkription, die einen Zellzyklusarrest und Apoptose induziert. Schwere DNA-Schäden führen zu einer weiteren Phosphorylierung von p53 an S46 und verstärken dadurch die Zellapoptose.

3) Acetylierung

Die Entdeckung der p53-Acetylierung ist das erste Beispiel für eine Nicht-Histon-Acetylierung. Die Acetylierung von einigen Lysinresten in DBD ist entscheidend für die Aktivierung von p53 und p53 kann promotorspezifisch Zellzyklusarrest, Apoptose, Alterung, Eisentod und den mTOR-Signalweg  beeinflussen. Die Funktion der p53-Acetylierung bei der Tumorsuppression kann anhand einer Reihe von Gen-Knock-Operationen mit Acetylierungsdefizienten(MR-Mutation) in Mausmodellen am besten demonstriert werden. Zum Beispiel behält die p53-3KR-Mutante zwar ihre DNA-Bindungsaktivität, kann aber wichtige Zielgene wie p21 nicht aktivieren. Aber p53-3KR-Mutantenmäuse sind weniger anfällig für Tumore. Die p53-4KR- und p53-5KR-Mutanten eliminierten die Fähigkeit von p53, Ferroptose und den mTOR-Signalweg zu steuern, weiter, was den Verlust der tumorsuppressiven Funktion von p53 verursachte.

Es ist erwähnenswert, dass die Acetylierung von CTD komplex ist: CTD-identische Lysinreste können auch Methylierung, Ubiquitinierung, SUMOylierung und NEDDylierung erfahren. Deshalb zeigten CTD-Acetylierungsdefiziente Mutanten (p53-6KR und p53-7KR) keine signifikanten Effekte auf die Tumorsuppression, da die Mutanten gleichzeitig die Nutzen und Risiken verschiedener PTM-Typen auf die p53-Funktion eliminierten. Tatsächlich zeigten mutierte Mäuse, die Acetylierung nachahmten(p53 KQ), eine wichtige p53-Aktivierung in der Transkription und Tumorsuppression(obwohl die p53-Proteinspiegel nicht erheblich anstiegen), was die Funktion der CTD-Acetylierung im In-vivo-Zusand unterstreicht.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass verschiedene Proteinmodifikationstypen zusammen die Aktivität von p53 steuern. Es ist erwähnenswert, dass In-vitro-Studien zwar gezeigt haben, dass viele PTMs wichtige Wirkungen auf die Funktion von p53 haben, die Ergebnisse jedoch möglicherweise nicht in vivo reproduzierbar sind. Der beste Weg, den Einfluss einer bestimmten Proteinmodifikation auf die Funktion von p53 zu verstehen, ist der Einsatz eines Knock-in-Mausmodells.

Auf Proteinebene gibt es einen anderen bedeutenden Faktor, nämlich den Kofaktor, der die p53-Aktivität beeinflusst. Das p53-Protein kann an verschiedene Kofaktoren binden, einschließlich Aktivatoren und Inhibitoren, die wichtige Wirkungen auf seine Proteinfaltung, Stabilität, Zelllokalisierung, DNA-Bindung, transkriptionelle Aktivierungsfähigkeit und Zielgenselektion haben. Zum Beispiel können viele molekulare Chaperone die Faltung und Stabilität von p53 steuern. MDM2 und MDMX binden an die TAD von p53, um dessen transkriptionelle Aktivierungsaktivität zu hemmen(unabhängig von der Funktion von MDM2 als E3-Ubiquitinligase). Viele transkriptionsregulatorische Faktoren wie PBRM1, SET und Dicer können mit p53 interagieren. Die Komponenten des m6A-Methyltransferasekomplexes, METTL3 und RBM15, interagieren mit p53 und modifizieren selektiv die mRNA einiger p53-Zielgene.

3. Regulation auf DNA- und RNA-Ebene

Das p53-Gen hat zwei Promotoren, die eine selektive Transkriptionsinitiation ermöglichen. Die Promotorregion des p53-Gens kann DNA- und Histonmethylierungen erfahren und so die Transkription des p53-Gens selbst beeinflussen. Viele Transkriptionsfaktoren können die Transkription des p53-Gens kontrollieren. Die prä-mRNA von p53 kann alternatives Spleißen durchlaufen. Außerdem sind Stabilität, zelluläre Lokalisation und Translation der p53-mRNA streng reguliert. Darüber hinaus ist die Aktivierung von p53 kein einfaches“Alles oder Nichts“-Muster, sondern ein hochdynamischer Prozess. Die Heterogenität der Zellen, die Eigenschaften der Stimuli, die oben genannten verschiedenen regulatorischen Komponenten und die Stabilität nachgeschalteter Zielgene bestimmen zusammen die dynamischen Veränderungen der p53-Aktivität.

4. Die Funktion von p53: Diversität und Komplexität

p53 kann viele Funktionen steuern, die zusammen ein komplexes p53-Funktionsnetzwerk bilden.

Die Funktion von p53 und seine Funktion in physiologischen und pathologischen Prozessen

5. Zellzyklusarrest, Apoptose, Alterung und genomische Stabilität

Die Induktion von Zellzyklusarrest, Apoptose und Alterung sind die frühesten entdeckten Funktionen von p53. Verschiedene Stimulationssignale können p53 zu diesen Funktionen anregen, wobei DNA-Schäden die effektivste Stimulationsart ist. Nach einer DNA-Schädigung wird das p53-Protein stabilisiert und aktiviert, um den Zellzyklusfortschritt zu verhindern. Dadurch erhalten die Zellen ein Zeitfenster sowie ausreichend Material und Energie, um beschädigte DNA zu reparieren. Wenn der Schaden zu schwerwiegend ist, löst p53 Zellapoptose und Alterung aus, um die geschädigten Zellen zu eliminieren. Es ist zu berücksichtigen, dass das Ergebnis der p53-Aktivierung auch von der Art der Zelle und dem DNA-Schaden abhängt. Die drei Funktionen gelten allgemein als die Hauptbarrieren für p53 bei dem Verzögern der Tumorentwicklung. Außerdem kann p53 auch durch DNA-Schäden aktiviert werden, die während der CRISPR-Cas9-Genomeditierung entstehen, wodurch die Effizienz der Genomeditierung verringert wird. Andernfalls kann die fehlende Eliminierung geschädigter Zellen zu genomischer Instabilität führen. Der Verlust von p53, einschließlich des Verlusts der Heterozygotie(LOH) und der Inaktivierung oder Deletion von Allelen, kann genomische Instabilität fördern und die Evolution von Tumorzellgenomen vorantreiben. P53 gilt als „Wächter des Genoms“. P53 kann die DNA-Reparatur direkt fördern. Tatsächlich tragen viele p53-Zielgene zum DNA-Reparaturprozess bei. Es ist aber noch unklar, ob die durch p53 vermittelte Aktivierung der DNA-Reparatur-bezogenen Zielgene ausreicht, um die Tumorentwicklung unabhängig von anderen p53-Funktionen zu hemmen.

6. Stoffwechsel und Eisenabbau

P53 ist ein wichtiger regulatorischer Faktor, der den Glukose-, Lipid-, Aminosäure-, Nukleotid-, Eisen- und Redoxstoffwechsel reguliert. Außerdem steuert es die Autophagie und interagiert intensiv mit wichtigen Stoffwechelregulatoren wie AMPK, AKT und mTOR. Die Funktion von p53 wird mit verschiedenen Stoffwechselerkrankungen in Verbindung gebracht, einschließlich Krebs. Generell hemmt p53 synthetische Stoffwechselprozesse(wie die De-novo-Lipogenese und die Nukleotidsynthese) und fördert gleichzeitig den Katabolismus(einschließlich oxidativer Phosphorylierung, Lipolyse und Fettsäureoxidation). Eine verstärkte Glykolyse produziert verschiedene molekulare Materialien für die Krebszellbiosynthese(Warbung-Effekt), die auch durch p53 gehemmt wird. Die metabolischen Funktionen von p53 hemmen die Notwendigkeit einer schnellen Proliferation von Krebszellen und führen zur Tumorsuppression. p53 zeigt aber bidirektionale Effekte in vielen Stoffwechselprozessen. Der Kern der widersprüchlichen Aktivität liegt in der Komplexität der p53-Funktion. Die Funktion von p53 bei der ORS-Kontrolle ist ein gutes Beispiel. Bei geringer ROS-Intensität(leichte, vorübergehende, erträgliche und veränderbare Reize) wirkt p53 antioxidativ, reduziert ROS und schützt Zellen vor Schäden(und fördert deren Überleben). Wenn die ROS-Werte hingegen zu hoch sind und unkontrollierbare Schäden(schwere, langfristige, schädliche und irreparable Reize) verursachen können, erhöht p53 die ROS-Werte weiter, führt zum Zelltod und schützt benachbarte, unbeschädigte Zellen(und fördert den Zelltod).

Eisenabhängig regulierter Zelltod tritt bei zu hoher Lipidperoxidation ein und steht in engem Zusammenhang mit Stoffwechselwegen. P53 ist einer der wichtigsten regulatorischen Faktoren der Ferroptose. Einige metabolische Zielgene von p53, einschließlich SLC7A11, VKORC1L1, GLS2 und PLTP, sind direkt an der Steuerung der Ferroptose beteiligt. Ähnlich wie die Apoptose bei der DNA-Schadenreaktion kann die Ferroptose schwer geschädigte Zellen bei metabolischem Stress eliminieren. P53-vermittelte Ferroptose gilt als wichtige Waffe in der Tumorsuppression. Interessanterweise kann ein afrikanischer populationsspezifischer p53-SNP die Fähigkeit von p53, Ferroptose zu induzieren, schwächen und dann die tumorsuppressive Funktion beeinträchtigen. Im Gegensatz zur Apoptose erfordert das Auftreten klassischer Ferroptose typischerweise die Behandlung von Zellen mit Ferroptose-Induktoren(wie GPX4-Inhibitoren). Es ist bemerkenswert, dass eine aktuelle Untersuchung gezeigt hat, dass die PHLDA2-vermittelte Phosphatidsäureperoxidation in Abwesenheit gängiger Eisentod-Signalweg eine wichtigere Funktion bei der p53-vermittelten Tumorsuppression hat, da p53 sowohl klassische als auch nicht-klassische Eisentod-Prozesse gleichzeitig fördern kann.

7. Stammzellen konkurrieren mit Zellen

Stammzellen haben viele Ähnlichkeiten mit Krebszelen, einschließlich die Fähigkeit zur anhaltenden Proliferation, die metabolische Reprogrammierung und ein zentrales Transkriptionsfaktor-Netzwerk. Deshalb schränkt p53 die Zellstammzellen ein und reguliert das Zellschicksal verschiedener Stammzelltypen. In embryonalen Stammzellen(ESCs) hemmt p53 Gene, die die Stammzellen erhalten, und aktiviert gleichzeitig Gene, die die Differenzierung fördern. In adulten Stammzellen(ASCs) hemmt p53 die Zellselbsterneuerung, fördert die Stammzellerschöpfung, erhält die Stammzellhomöostase aufrecht oder stimuliert die Differenzierung. Die Fähigkeit von p53, die Zellstammzellen einzuschränken, ist entscheidend für seine tumorsuppressive Funktion, weil es die Bildung von Krebsstammzellen hemmen kann. Der durch p53 regulierte spezifische Differenzierungsweg trägt zur Tumorsuppression bei Lungenkrebs bei. Der Verlust oder eine Mutation von p53 kann zu Dedifferenzierung, Zellreprogrammierung und erhöhter Zellplastizität bei Krebs führen. Der Bildungsprozess induzierter pluripotenter Stammzellen(iPSCs) ähnelt der Dedifferenzierung und zellulären Karzinogenese. P53 ist einer der wichtigsten hemmenden Faktoren in dem Prozess und die Stilllegung von p53 kann die Effektivität der iPSC-Produktion erheblich verbessern. Zellwettbewerb ist entscheidend für die normale Entwicklung, die Reparatur von Gewebeschäden, die Tumorentwicklung und die Metastasierung.

Im Allgemeinen ist p53 aufgrund der Hemmung des Synthesestoffwechsels und der Proliferation, während es den Zelltod fördert, nicht förderlich für Zellen, die im Wettbewerb mit Nachbarzellen bestehen wollen. Deshalb deutet eine hohe p53-Aktivität oft auf einen „Verlierer“-Zustand im Zellwettbewerb hin. Aber Untersuchungen haben gezeigt, dass die superkompetitiven Zellen von Fruchtfliegen p53-Aktivität benötigen, um benachbarte normale Zellen zu eliminieren. Die Regulierung des Zellwettbewerbs durch p53 hat wichtige physiologische Bedeutung. Zellen mit mutiertem p53 können klonal expandieren, was die Genese und Progression von Tumoren fördern kann. Die p53-Mutantenzellen bleiben nicht immer erhalten, weil sie durch die Konkurrenz mit benachbarten normalen Zellen eine nekrotische Apoptose erleiden oder von Zellen mit anderen Genmutationen, die eine höhere Fitness haben, eliminiert werden können.

8. Tumormetastasierung

P53 hemmt die Metastasierung in verschiedenen Stadien sowohl autonom als auch nicht-autonom. In Tumorzellen schränkt p53 deren Mobilität und den epithelial-mesenchymalen Übergang(EMT) ein. Metastasierte Krebszellen im Blutkreislauf können Anoikis und Ferroptose durchlaufen, die beide durch p53 gefördert werden können, um die Migration von Krebszellen zu neuen Zielen zu verhindern. In jedem Schritt der Metastasierung und Dffusion entwickeln Krebszellen spezialisierte Stoffwechselprogramme, um ihren Energie- und Biomolekülbedarf zu decken. Und p53 kann diese zellulären Stoffwechselprozesse hemmen. Auf der anderen Seite prägt p53 ein für die Metastasierung ungünstiges Tumormikroumfeld(TME). Zum Beispiel hemmt p53 die Angiogenese und Lymphangiogenese und blockiert die Metastasierungswege durch Blut und Lymphsystem. Ebenfalls kann es die Integrität der extrazellulären Matrix erhalten, die Adhäsion von Tumorzellen daran fördern und deren Bewegung einschränken. Außerdem kann p53 auch die Entzündungsreaktion bei Tumormetastasen aktivieren und hemmen.

9. Immunität

Eine andere wichtige Funktion von p53 ist die Regulierung von Immunreaktion. P53 ist über verschiedene Mechanismen wichtig bei der angeborenen und adaptiven Immunität. Der synergistische Aufbau eines tumorsuppressiven Imunnetzwerks durch p53 in Tumorzellen und NIcht-Tumorzellen. In Tumorzellen hemmt p53 indirekt die PD-L1-Expression durch Hochregulierung von miR-34 und macht Tumorzellen empfindlich für eine Anti-Tumor-Immunreaktion und Immuntherapie. P53 aktiviert den cGAS-STING-Signalweg, um eine Anti-Tumor-Aktivität zu induzieren. In einem Maus-Leberkrebsmodell induziert die Wiederherstellung der p53-Expression die Seneszenz von Tumorzellen, löst die Freisetzung inflammatorischer Zytokine aus und löst angeborene Immunreaktionen zur Eliminierung von Tumorzellen aus.

In hepatischen Sternzellen zeigt die durch p53 induzierte zelluläre Seneszenz auch hemmende Effekte auf Leberkrebs - durch die Etablierung des Seneszenz-assoziierten sekretorischen Phänotyps(SASP) kann die M1-Makrophagenpolarisation verstärkt werden, um die tumorsuppressive TME aufrechtzuerhalten. Bei Subtypen muriner Knochenmarkvorläuferzellen fördert p53 deren Differenzierung in Ly6c+CD103+monozytäre Antigen-präsentierende Zellen und stärkt so die Antitumorimmunität.

Der Verlust von p53 in Tumorzellen oder TME-Zellen kann das tumorsuppressive Immunmikromilieu in einen immunsuppressiven Zustand umkehren, die Immuntoleranz oder das Entkommen von Tumorzellen fördern oder ein entzündliches Milieu entstehen lassen, das die Tumormetastasierung begünstigt. Mutiertes p53 kann die Immunflucht von Tumorzellen stimulieren. Interessanterweise können p53-Mutanten selbst Tumorantigene als Zielmoleküle für die Tumorimmuntherapie generieren.

p53 ist auch an Autoimmunreaktionen und der Immunabwehr gegen verschiedene Krankheitserreger beteiligt. Es ist bemerkenswert, dass nicht alle immunbezogenen Aktivitäten von p53 die Funktion von Immunzellen fördern oder gesundheitsfördernd sind. P53 kann die Proliferation und Funktion bestimmter T-Zell-Subtypen hemmen. Zum Beispiel hemmt p53 die antigenspezifische Proliferation von CD4+T-Zellen, die über den T-Zell-Rezeptor(TCR)-Signalweg eliminiert werden kann. Einige Viren stützen sich auf p53, um einen Zellzyklusarrest für die Replikation zu verursachen.