Ген p53: страж генома

Ген-супрессор опухолей p53 является одним из наиболее часто мутируемых генов в опухолях человека. p53 препятствует опухолевой трансформации тремя связанными друг с другом механизмами: активация временной остановки клеточного цикла (покой), индукция постоянной остановки клеточного цикла (старение), запуск программированной клеточной гибели (апоптоз). В общем, p53можно рассматривать как контролер клеточного стресса, который направляет клетки, подвергшиеся стрессу, по одному из трех путей. Различные воздействия могут запустить сигнальные пути p53, включая аноксию, неадекватную экспрессию онкогенов (например, MYC или RAS) или нарушение целостности ДНК. Управляя реакцией клетки на повреждение ДНК, p53играет центральную роль в поддержании целостности генома, как мы увидим в дальнейшем.

В здоровых клетках, не подвергшихся воздействию повреждающих факторов, p53 имеет короткий период полураспада (20 минут) вследствие его связи с MDM2, белком который метит его для последующего разрушения. В условиях стресса, например при повреждении ДНК, p53 подвергается посттранскрипционной модификации, в результате чего он высвобождается из связи с MDM2 и его период полураспада увеличивается. Не связанный с MDM2 p53 также приобретает активность как транскрипционный фактор. Обнаружены десятки генов, чья транскрипция активируется p53. Их можно объединить в две большие категории: те, которые вызывают остановку клеточного цикла и те, которые запускают апоптоз. Если повреждение ДНК может быть восстановлено во время остановки цикла, клетка возвращается в нормальное состояние; если репарация оказывается неудачной, p53 запускает апоптоз или процесс клеточного старения. Эти действия будут рассмотрены позже.

Механизмы посредством которых p53 определяет повреждение ДНК, а также адекватность ее репарации, не совсем ясны. Ключевыми инициаторами сигнального пути, связанного с повреждением ДНК являются две родственные протеинкиназы: мутированная при атаксии-телеангиоэктазии (ataxia-teleangiectasia mutated, ATM) и связанная с мутированной при атаксии-телеангиэктазии (ataxia-teleangiectasia mutated related, ATR). Как видно из названия, ген ATM был первоначально идентифицирован как герминоклеточная мутация у пациентов с атаксией-телеангиэктазией. Пациенты с этим заболеванием, которое характеризуется неспособностью репарировать некоторые виды повреждений ДНК, чаще других страдают различными злокачественными новообразованиями. ATM и ATR определяют различные типы повреждения ДНК, однако активируют похожие сигнальные пути. Будучи активированными, ATM и ATR фосфорилируют различные белки, включая p53 и белки репарации ДНК. Фосфорилирование этих двух мишеней ведет к остановке клеточного цикла и стимуляции репарации ДНК, соответственно.

Остановку клеточного цикла, опосредованную p53, можно считать фундаментальной ответной реакцией на повреждение ДНК (рис. 6-22). Это происходит в конце фазы G₁ и вызывается, главным образом, посредством p53-зависимой транскрипции CDKI CDKN1A (p21). Ген CDKN1A, как было описано выше, ингибирует комплексы циклин-CDK и препятствует фосфорилированию RB, что необходимо для входа клеток в G₁[z1] фазу. Такая остановка в клеточном цикле весьма удобна, поскольку дает время для проведения репарации ДНК. p53 также помогает этому процессу, индуцируя синтез некоторых белков, таких как GADD45 (growth arrest and DNA damage, приостановка роста и повреждение ДНК), которые помогают в репарации ДНК. Также p53 может стимулировать пути репарации ДНК нетранскрипционными [z2] механизмами. Если повреждение ДНК успешно восстановлено, p53 увеличивает транскрипцию MDM2, что ведет к разрушению p53 и снятию блокировки клеточного цикла. Если повреждение не может быть восстановлено, клетка под действием p53 подвергается физиологическому старению или апоптозу.

p53-индуцированное старение – это перманентная остановка клеточного цикла, характеризующаяся специфическими изменениями в клеточной морфологии, экспрессии генов, которые отличают такую клетку от покоящихся клеток при обратимой приостановке клеточного цикла. Старение требует активации p53 и/или RB, а также экспрессии других медиаторов, таких как CDKIs. Такая остановка клеточного цикла обычно необратима, хотя она может требовать продолжающейся экспрессии p53. Механизмы старения неясны, однако что они затрагивают глобальные изменения хроматина, которые коренным образом и навсегда изменяют экспрессию генов.

p53-индуцированный апоптоз клеток с необратимым повреждением ДНК – последний защитный механизм против опухолевой трансформации. Он опосредован несколькими проапоптотическими генами, такими как BAX и PUMA (будет рассмотрено ниже).

Суммируя вышесказанное, p53 определяет повреждение ДНК и способствует ее репарации, вызывая приостановку в фазе G₁ и индуцируя гены репарации ДНК. Клетка с необратимым повреждением ДНК, под действием p53 подвергается либо физиологическому старению либо апоптозу (рис. 6-22). В свете своих свойств, p53 был удачно назван «стражем генома». При гомозиготной потере p53 повреждение ДНК остается неотрепарированным, в делящихся клетках накапливаются мутации, что направляет клетку на путь, ведущий к опухолевой трансформации.

Подтверждением важности p53 в контроле над канцерогенезом является то, что в более чем 70% опухолей человека имеется дефект этого гена, оставшиеся злокачественные опухоли имеют дефекты генов, имеющих отношение к функции p53. Гомозиготная потеря p53 обнаружена практически во всех злокачественных опухолях, включая раки легкого, толстой кишки и молочной железы – три основные причины смертности от рака. В большинстве случаев, инактивирующие мутации обоих аллелей p53 появляются в соматических клетках. Гораздо реже, некоторые индивидуумы наследуют мутантные аллели p53. Такое заболевание называется синдром Ли-Фраумени. Как и с геном RB, наследование одного мутантного аллеля делает его носителей предрасположенными к развитию злокачественных опухолей, поскольку требуется только одна мутация для того, чтобы инактивировать вторую, нормальную аллель. Пациенты с синдромом Ли-Фраумени имеют повышенный в 25 раз риск развития злокачественных опухолей к 50 годам, по сравнению с общей популяцией. В отличие от пациентов, которые наследуют мутантный аллель RB, спектр опухолей, развивающихся у пациентов с синдромом Ли-Фраумени более широкий; наиболее часто развиваются саркомы, рак молочной железы, лейкемия, опухоли мозга и карциномы коры надпочечника. По сравнению со спорадическими опухолями, опухоли у пациентов с этим синдромом развиваются в более молодом возрасте и могут быть первично-множественными.

Как и RB белок, нормальный p53 может становиться неактивным под действием некоторых ДНК вирусов. Белки, кодируемые онкогенными ВПЧ, вирусом гепатита В и, возможно, ВЭБ, могут связываться с нормальным p53 и инактивировать его. Таким образом, ДНК вирусы могут ниспровергать два из наиболее изученных гена-супрессора опухолей, RB и p53.

КРАТКАЯ СВОДКА