p53

<p53>

p53は状況に応じて活性化されてアポトーシスや細胞周期の停止、細胞老化を引き起こさせる他、メタボリズムをはじめとする広範な生体機能の調節にも関わっており、特別なストレス下になくとも機能している。p53により発現が調節される遺伝子セットは状況による以外にも細胞の種類によっても大きく異なっている。
  
p53 KOマウスは一見正常であるが、各種の癌を好発し、特に早期のリンパ腫のために死亡する。p21を欠くマウスや、多くの細胞腫においてp53依存的なアポトーシスの誘導に必要なPUMAを欠くマウス、あるいはその両方を欠くマウスでは、p53 KOマウスで認められるような癌化の促進は認められていない。p21の転写を促進できるがアポトーシスの誘導に必要な遺伝子群の転写を促進できない変異を持つp53R172Pを有し、かつp21を欠くマウスではそれぞれ単独の変異の場合よりも癌が発生しやすくなっており、発生する癌の種類もp53 KOマウスと類似している。一方でDNA結合領域中のアセチル化修飾を受ける三つのリジンに変異を持つp53は代謝調節能は保たれているが細胞周期の停止、細胞老化、およびアポトーシスの誘導機能が損なわれており、このマウスでは早期の癌の発生は認められていない(Li et al., 2012 #333)。

p53はN末端側に二つのtranscriptional activation domain(TAD)と、それらとは独立に特定の認識配列への結合に必要な領域が存在する。さらにC末端側には、定まった配列ではなくミスマッチDNAや傷害を受けたDNA、および一本鎖DNAとの結合に必要な領域が存在する。p53は3'→5'エキソヌクレアーゼ活性を有しており傷害を受けたDNAの切除を行える他、RAD51や53BP1、BRCA1/2、BARD1、MDC1、HMG1、BLM、WRN、MRE1、RPA1、HEF1、ERCC6、SNF5、DNAPolα、mtDNApolγなどと相互作用してDNA修復を促進したり、DNA傷害からのp53シグナリングの活性化を促進したりする事もできる。DNA修復に関して、転写制御レベルではp53はglobal genome repair(GGR)に機能するXPE(DDB2)やXPCお発現を増加させる。p53が抑制された癌細胞においてGGRが抑制されており、一方transcriptional-coupled repair(TCR)は比較的維持されている事が報告されている。

<p53の発現制御>

p53はmRNAレベルではどの組織でも類似したレベルの発現を示している。p53のプロモーターにはAP1、YY1、NFkB、HOXA5、PAXなどの結合配列が存在しており、HOXA5以外はp53の転写を抑制している(Hollstein & Hainaut, 2010 #289)。p53のアンチセンスRNAであるWrap53についてはp53の発現を促進させている可能性が示唆されている(Mahmoudi et al., 2009 #290)。HuRはp53 mRNAを安定化させる。

新規に合成されたばかりのp53は、20SプロテアソームによるN末端のunstructured siteの認識を通じてユビキチン化非依存的な分解制御を受ける。この20Sプロテアソームによるp53の分解は二つのオキシドレダクターゼNQO1とNQO2により調節されている。

Mdm2はp53のN末端に結合し、その転写活性化能を抑制し、核外移行を促進してp53のC末端のポリユビキチン化を通じてその分解を誘導する。Mdm2の転写レベルはp53により正に制御されている。p53をユビキチン化する他のE3 ligaseにはPirh2、COP1、CARP1/2、TOPORS、Synoviolin、TRIM24などが知られている。Pirh2はMdm2同様20Sによるp27やpRbの分解も誘導できる。ARF-BP/MULEはARFやp53と結合できるE3 ligaseで、p53の分解を誘導する一方でARFによるMdm2の抑制も阻害する。リボソームタンパクであるL5、L11、L23、S7はMdm2と結合してp53との相互作用を阻害する。rRNAの合成やプロセシングの阻害や、リボソームタンパクL7、L23、L29、L30、S6、S9の抑制はリボソーマルストレスを生じさせ、L5、L11、L23、S7などを介してp53を安定化させる。UVなどによるDNA傷害はL37の分解を誘導し、それはL11を通じてp53を安定化させる事につながる(Lianos & Serrano, 2010 #388)。SnoNはSmadに結合してTGFβシグナリングを抑制する他、Mdm2と拮抗してp53とも結合し、その活性化を促す(Pan et al., 2012 #331)。p53はHAUSPによる脱ユビキチン化制御も受ける。

p53の発現レベルは、IR照射によって誘導される場合にはパルス状となり、照射強度を上げると振幅は変わらずにパルスが増加する。一方UVによって誘導される場合には単一のパルスが誘導され、UVの強度は振幅とパルス幅の両方に影響を与える。

なおUVはMDM2のスプライシングパターンを変化させる事でもp53の分解を抑制する。DNAの傷害はスプライシングパターンの変化を生じさせる事がしばしばあり、それはATMやATRに依存しない応答である場合がある(Kalsotra & Cooper #424)。

p53はME1/2の発現抑制を通じて自身の活性を更に促進させ、細胞老化を促進させる事ができる。ME1/2はリンゴ酸(Malate)からピルビン酸(Pyruvate)を生成し、併せてME1はNADP+からNADPHを、ME2はNAD(P)+からNAD(P)Hを産生させる。ME1の抑制はMdm2の発現を抑制させる事で、ME2の抑制はAMPKを活性化させる事でp53を活性化させる。後者の場合はROSの増加が重要で、ROSがATMを、次いでこれがLKB1を活性化させている事が考えられる。ME1/2の抑制はp53依存的に細胞老化を誘導し、逆にME1/2の強制発現はIMR90の複製老化を遅延させる。ME1/2の抑制はp53をアポトーシスでは無く細胞老化の誘導に強く作用させる(Jiang et al., 2013 #556)。

<p53ファミリー>

p53のアイソフォームには、N末端に関してヒトでは完全長のものとN末端が欠けるΔ40、Δ133、Δ160型があり、同じくヒトでこのそれぞれに対しC末端が完全長でありoligomerization domainを含むα型と、それが短いアミノ酸鎖に置き換わったβ型とγ型とがある。Δ40p53は転写制御に主要な役割を果たす一つ目のTADを欠く。Δ40p53はイントロン2を保持するp53I2 mRNA中のIRESから翻訳され、その翻訳効率は比較的高い。イントロン2のスプライシングはイントロン3に形成されるG-quadruplexにより促進される。P2プロモーターによりイントロン4から生じるp53の転写産物は、それぞれ異なる開始コドンによりΔ133p53とΔ160p53をコードしている。P2プロモーターにはp53の結合配列が存在しており、結合を通じてΔ133p53の発現が正に制御される事が確認されている。イントロン9のオルタナティブスプライシングはC末端の使い分けに関わっている。

Δ40p53αの強制発現はp53依存的なレポーター遺伝子の発現促進を抑制する。またp53依存的な細胞増殖の抑制を阻害する事も報告されている。WI38細胞でも、G1期からS期への進行に際してp21の発現低下と並行してΔ40p53αの発現増加が起こる。Δ133p53もp53による転写制御を抑制する。ただしΔ133p53はp53の認識配列に結合しない事がin vitroにおいて示されている。Δ133p53αのノックダウンはp53によるアポトーシスの誘導とdoxorubicinによるG1アレストを抑制するが、一方でp53依存的なG2アレストは抑制しない。ヒト繊維芽細胞の複製老化に際してはΔ133p53はサイレンシングされるが、Ras強制発現により誘導された細胞老化に際してはサイレンシングは認められていない。

マウスp53については、そのN末端構造にはヒトΔ40p53に相当するMΔ41p53とヒトΔ160p53に相当するMΔ157p53の存在が報告されており、またC末端構造については共にoligomerization domainを含む二通りのアイソフォームが報告されている。MΔ41p53はp53を欠くバックグラウンドで強制発現させても表現形に変化は無いが、WTマウスに発現させるとIGF1シグナリングの活性化を通じて早老が起こる。

p53には構造的、生化学的に類似した二つのファミリータンパクp63およびp73が存在しており、どちらもp53と同様な認識配列に結合する事ができる。ヒトでは、いずれについてもいくつかのΔN型と、p63では5通り、p73では7通りのC末端構造が認められている。
  
MEFではΔNp63の強制発現はRasによる細胞老化の誘導を抑制する。癌細胞ではしばしばΔNp63の発現が増加している。p53はΔNp63の分解を誘導する(Ratovitski et al., 2001)。一方でp53を欠損するMEFにTAp63(N末端を欠かないものにTAを付して称する)を強制発現させると細胞老化が促進される。TAp63を欠くマウスでは幹細胞の静止期における維持が損なわれ、早老が起こり、癌の発生も増加する(Su et al., 2009 #415; Su et al., 2010 #414)。インスリン抵抗性も引き起こされるが、これはTAp63によるSirt1、AMPKα2、LKB1の転写活性化が損なわれる事に依存している。TAp63による作用は、CR下で見られるSirt1の発現増加やMetformin投与による血糖値の低下にも大きな寄与がある(Su et al., 2012 #410)。

p53同様p73もDNA傷害に際して活性化される。p73 KO MEFではp53の活性が亢進し、細胞老化が誘導される。p53 KO MEFではゲノムの不安定性が引き起こされるが、さらにp73を欠くとそれが顕著に悪化する。p53とp73のDKO MEFではG2/M期チェックポイントの効率が特に損なわれており、Cdk1/2の抑制が正常に誘導されない。Cdk1/2のドミナントネガティブの発現はこの表現型を抑制する。一方でp27の発現は増加している。Skp2 KOマウスでは多倍体化が促進され、Skp2、p27 DKOマウスではそれが抑制される事から、p27の発現増加もp53、p73 DKO MEFの多倍体化に寄与しているものと考えられる(Talos et al., 2007 #540)。TAp73欠損マウスでは癌化が促進されており、逆にΔNp73を欠損する細胞はヌードマウスに移植された場合に腫瘍を形成しにくい(Marcel et al., 2011 #291)。TAp73 KO MEFではM期の制御に異常があり、ゲノムの安定性が損なわれている(Tomasini et al., 2008 #501)。ヒトの癌ではp73の変異は稀であるが、ΔNp73の発現増加はしばしば認められる。他に、TAp73を欠損させた細胞ではミトコンドリアでの酸素消費量が低下しており、併せてROSの産生が増加している。この時TAp73のターゲットであるCox4i1の発現が低下しており、これがTAp73の欠損により現れる表現型の原因の一つとなっている事が報告されている(Rufini et al., 2012 #366)。

<p53による酸化ストレス制御>

多くの細胞においてp53の阻害はROSの産生を増加させる。抗酸化作用を示すSESN1/2、TIGAR、およびGPX1などのp53ターゲットは、p21同様低いレベルのp53に対しても応答を示す。p53 KOマウスに抗酸化剤を投与するとリンパ腫の発生が抑制される。p53により転写が促進される遺伝子でROSを抑制するものには上記のものの他ALDH12、PIG12、SOD2、CAT、GLP2/LGAなどが存在する。GLS2/LGAはglutamineから、GSHの前駆体でもあるglutamateへの変換を司っており、これはTCAサイクルへ基質供給にも機能する。なお同じくglutamineからglutamateへの変換を司るGLS1/KGAが癌遺伝子として知られているのに対し、GLS2/LGAは癌抑制遺伝子として知られており、どのようにしてこのような違いが生じているのかは良くわかっていない。p53はROSを増加させると考えられるPIG3、PIG6、FDXRの転写も促す。ヒトp53では6つのシステイン残基が表面に存在しており、そのうちの一つで酸化傷害の主要なターゲットであるCys277の酸化はDNA結合能を損なわせる。

<p53による代謝制御とWarburg effect>

代謝に関しては、p53の阻害は一般的にミトコンドリア機能を低下させて解糖系を亢進させる事が報告されている。ただし、ATPの生産量自体は大きくは変化しないようである。多くの癌細胞でも呼吸から解糖へのシフトが起こっており、これはWarburg effectと呼ばれている。癌細胞のように増殖がさかんな細胞では、ATP産生効率を上げる事よりも同化代謝を促進するようにミトコンドリア機能が制御されている。p53の阻害はミトコンドリアの生合成や酸素消費を低下させる。p53のターゲットには呼吸鎖複合体IVのサブユニットであるSCO2や、アポトーシスにおける役割とは別に呼吸鎖複合体Iの機能にも重要なAIFが含まれる。p53を欠損した細胞にSCO2を強制発現させると、解糖へのシフトは抑制される。また、SCO2を片アリル欠損させた場合にも解糖へのシフトが認められる。解糖系への基質供給の正の制御を通じて呼吸と解糖のバランスを司るPGMは繊維芽細胞ではp53による翻訳後修飾を受けて抑制されるが、筋細胞では転写レベルで活性化される。p53はまたmtDNApolγと結合し、その機能を促進させもする。p53を欠くマウスでは飢餓に応じた脂肪酸代謝の促進応答が損なわれている。

p53はインスリンレセプターやGLUT1、GLUT4の転写を抑制し、NFkBの抑制を通じて間接的にGLUT3の転写も抑制している。TIGARはホスホフルクトキナーゼ1(PFK1)の活性を抑制し、ペントースリン酸回路への基質供給を促して解糖系を抑制し、同時にNADPHの産生を促す事でROSの抑制にも働く。

Warburg effectには多くの癌で活性化しているAktも関与している。AktはACL(ミトコンドリア外でクエン酸をアセチルCoAに変換し、脂質合成を促す)を活性化させる。また、c-Mycは細胞内へのグルタミンの取り込みや、GLS(ミトコンドリアへのグルタミンの取り込みを促し同化代謝を促進させる)の発現を増加させる。HIF1はPDK1の発現を高める事で脂質合成を抑制する為、代謝制御を通じて癌抑制遺伝子として機能し得る。癌細胞では、分化した細胞よりも活性の低いスプライシングバリアントのPKM(PKM2)を発現しており、この事はピルビン酸生成過程に生じる産物の他の代謝経路への流入を促す。

p53はTSC2、REDD1、SESN(Sestrin)1/2の発現を促進させたり、AMPKによるTSC1-TSC2複合体の活性化を通じてmTORC1を抑制する(Feng et al., 2005 #296; Feng et al., 2007 #297; Bundanov & Karin, 2008 #443; Maiuri et al., 2009 #298)。p53によるmTORC1の抑制が、p53の翻訳を抑制し、ネガティブフィードバックがかかる事も報告されている(Douangsone et al., #525)。SESN1/2はAMPKを活性化させる事で、REDD1は14-3-3タンパクとの結合によるTSC1-TSC2の抑制を解除する事でmTORC1を抑制する(Philip et al., 2008 #524)。低酸素下におけるmTORC1の抑制にはREDD1の制御が関わっている。ハエでは、持続的なTORの活性化はROSの産生を通じてSestrinの発現を増加し、またSestrinを欠く場合にはAMPKやTORに依存した早老が起こる事が報告されている(Lee et al., 2010 #444)。なおmTORC2については、TSC1-TSC2複合体との相互作用によりむしろ活性が促進される事が報告されている(Jung et al., 2010 #299)。p53によるIGFBP3やPTENの転写促進もmTORC1の抑制に関わっている。一方mTORC1により活性化されるS6KはMdm2の抑制を通じてp53を活性化させる。p53はオートファジーは通常結果的に生存に有利になるように状況依存的に促進したり抑制したりする。p53によるオートファジーの誘導にはそのターゲットであるリソソームタンパクDRAMが重要である。p53ターゲットであるPumaもBax依存的にオートファジーを誘導する事ができる。一方低グルコース条件下においてはp53が無い事によってオートファジー依存的にATPレベルを保持できる場合のある事も報告されている。


その他の参考文献
Maddocks & Vousden, 2011 #292
Bieging & Attardi, 2012 #293
Kim et al., 2011 #294
Zheltukhin & Chumakov #295

  • 最終更新:2013-02-13 00:25:57

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