一阴一阳之谓道:顾伟实验室总结p53基因在肿瘤代谢中的复杂作用

2021
05/03

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生物世界
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p53 是一个拥有广泛而强大功能的抑癌基因。

撰文 | 生物世界编辑部
编辑 | 王聪
排版 | 水成文

众所周知, p53 是一个拥有广泛而强大功能的抑癌基因 ,超过一半的肿瘤患者带有p53突变。p53单位点突变可能导致家族性的李-佛美尼综合症 (Li-Fraumeni syndrome) 。p53基因敲除小鼠会在发育早期就形成肿瘤。

自从1979年p53基因被发现以来,p53一直是分子生物学和肿瘤学的“明星分子”。在 Nature 杂志2017年的一项统计中,p53以绝对优势位列过去几十年最热门研究基因榜第一名


p53主要作为转录因子,激活或者抑制多种下游靶基因的转录来行使功能。这些靶基因的作用主要包括诱导细胞周期停滞DNA修复调节细胞代谢细胞衰老细胞凋亡,以及新近发现的诱导细胞发生 铁死亡 (ferroptosis) 等。


但是,p53的诸多功能里哪一项/哪几项才是真正起到抑制肿瘤的作用的?

关于这个问题,学术界一直存在一些争议。2012年以前,学术界认为p53的诱导细胞周期停滞、衰老或者凋亡已经足以解释其抑癌功能。

然而在2012-2013年,三项研究 (两篇 Cell + 一篇 Cell Reports 推翻了这一观点。其中最著名的一篇文章来自于美国哥伦比亚大学医学院 顾伟 教授实验室 Cell, 2012)

顾伟 教授是p53领域的国际权威科学家之一。在过去二十多年的研究里,顾伟教授实验室诞生了p53功能及调控的多项重要成果 (主要结论发表在十余篇CNS正刊+数篇CNS子刊之上)

2012年,顾伟实验室利用p53功能性突变小鼠,发现 p53在失去诱导三项经典抑癌功能 (细胞周期停滞,衰老或者凋亡) 后,依然可以有抑癌功能 (Cell, 2012) 。特别地,该p53突变体在丧失激活多个传统经典p53靶基因 (PUMA,NOXA以及p21等) 功能的同时,依然可以激活一些代谢相关的靶基因。这提示了代谢调节功能可能是p53抑制肿瘤的关键。接下来的几年,顾伟课题组多项成果揭示了p53通过调节肿瘤代谢活动而抑制肿瘤 Nature, 2015; PNAS, 2016; Cell Reports, 2017; Nature Cell Biology, 2019; Genes & Development, 2021)

近日,顾伟教授课题组在著名肿瘤学综述期刊 Seminars in Cancer Biology 上发表题为: The complexity of p53-mediated metabolic regulation in tumor suppression 的长文综述。

该综述 总结了p53代谢调节作用及其对于p53肿瘤抑制功能的意义,讨论了p53在肿瘤中的双重作用 (既能抑制肿瘤,又在某些条件下促进肿瘤) 提出了关于p53作用模式的新见解


该论文通讯作者为哥伦比亚大学医学院 顾伟 教授,第一作者为顾伟教授实验室 刘彦卿 博士。

论文全文很长,内容详实丰富,观点新颖,富有启发。鉴于p53在肿瘤学中的重要地位,《 生物世界 》编辑部特别对此文择要进行编译,以飨读者。鉴于原文所引用参考文献众多,为方便阅读,这里略去参考文献。另外,文中Table 1总结了一百多个p53的代谢靶基因,篇幅所限,在这里也不列出。有兴趣的读者可以参考原文以查询相关信息。

引言

自1979年被发现以来,p53一直是肿瘤学研究的焦点之一。在Pubmed数据库中用p53为关键词搜索,可以找到超过十万篇文献。这些文献绝大多数关注p53在肿瘤中的作用。事实上,p53在肿瘤之外 (比如发育,干细胞,以及一些非肿瘤疾病等) 也有重要功能。p53可以被大量细胞内/外刺激和压力 (stresses,包括DNA damage, oncogene activation, ribosomal or telomere-associated stresses, andnutrient deprivation等) 所诱导,作为转录因子调节多种多样下游基因的表达,在细胞和机体层面产生多种效果 (cell cycle arrest, DNA repair, senescence,apoptosis, and ferroptosis等) ,从而帮助细胞/机体对抗刺激。p53也可以不依赖其转录因子活性而行使功能。

代谢 (包括同化作用/异化作用;细胞代谢/机体代谢等) 是生命体存在的前提。失衡的代谢可能导致多种疾病,包括肿瘤。早在2005年,多项研究揭示了p53可以参与代谢调控。此后的十多年里,大量后续研究揭示了更多p53调节代谢的机理和作用。

迄今为止,所有p53的功能或多或少来源于p53对于某种代谢活动的调节能力。对于p53最知名的功能—抑制肿瘤而言,如上所述,顾伟实验室的研究表明:即使剥夺了p53传统的诱导细胞周期停滞,衰老或者凋亡的功能, 保留调节代谢功能的p53依旧可以抑制肿瘤发展 。这反映了代谢调节功能在p53抑癌作用中的重要地位。但是,也有研究表明,在某些情况下,p53的某些代谢调节活动反而会促进肿瘤生长。在这篇综述里我们将针对以上问题进行详细讨论,并提出p53在肿瘤中发挥作用的新模式。

p53调节多种物质的代谢

碳水化合物 脂质蛋白质矿物质维生素是人体所必需的六大营养素,而p53可以参与调节前面四种的代谢。另外p53还能调节核酸代谢活性氧 (ROS) 的产生和清除。这一部分,我们将介绍p53如何调节这些生物活性物质的代谢。

p53参与调节葡萄糖、脂质、氨基酸、核苷酸、铁和ROS的代谢

葡萄糖代谢

葡萄糖是细胞能量和碳代谢的中心分子 。正常细胞里,葡萄糖在胞浆里通过糖酵解转变为丙酮酸;丙酮酸被转运到线粒体中参与三羧酸循环以及氧化磷酸化,从而为细胞供给大量能量。而在肿瘤细胞里,无氧糖酵解过程异常活跃,丙酮酸被转变为乳酸从而运出细胞 (Warburg效应) 。这一过程可以产生大量的中间产物,被快速分裂的肿瘤细胞用来进行同化作用或者消除活性氧。比如6-磷酸葡萄糖可以通过磷酸戊糖途径 (Pentose phosphate pathway, PPP) 而产生5-磷酸核糖 (用于核苷酸合成) 和NADPH (用于清除ROS) 。而3-磷酸甘油酸则可以用于合成丝氨酸。

多数情况下,p53是抑制糖酵解的。首先,p53可以抑制葡萄糖转运蛋白GLUT1/3/4/12的表达或活性来抑制葡萄糖的吸收。其次,p53还可以抑制多个糖酵解过程的调节酶,比如HK1/2, PFK1和PGM等。p53也能抑制乳酸运出细胞。积累的乳酸会反过来抑制糖酵解的进行。由于肿瘤细胞高度依赖糖酵解和Warburg效应来增殖和发展,所以p53抑制糖酵解往往会阻碍癌细胞的生长。

需要指出的是,PFK1是糖酵解过程中的限速酶。p53可以通过激活靶基因TIGAR的表达来抑制PFK1活性,进而下调糖酵解的速率。但是抑制PFK1会导致PPP通路的激活,反而有利于癌细胞的存活。而在某些特殊情况下,比如骨骼肌和心肌细胞里,p53却是激活PGM来促进糖酵解的。
(p53的代谢调节功能非常复杂,很多时候其效果是context-dependent的,常常会有矛盾的现象出现,这将在下文中多次出现。文末会对该现象进行总结讨论。)

相反地,p53却可以促进糖异生的过程。糖异生和糖酵解在一定程度上可以视为逆过程。另外,p53还可以通过激活FUCA1表达来调节细胞内的糖基化修饰。

三羧酸循环 (TCA Cycle) 和氧化磷酸化 (OXPHOS)

和调节糖酵解相反,p53主要促进三羧酸循环和氧化磷酸化。比如p53可以促进丙酮酸和乙酰CoA作为原料进入三羧酸循环。另外,谷氨酸Glu可以作为底物参与TCA cycle回补途径。p53通过激活GLS2的表达来促进谷氨酰胺Gln转变为Glu进入三羧酸循环。另外,p53还能激活多种靶基因来促进线粒体分裂,维持线粒体基因组和结构的稳定性,清除损坏的线粒体,这些活动都可以保证三羧酸循环和氧化磷酸化的进行。

但是在某些情况下,p53也被证明可以抑制三羧酸循环和氧化磷酸化。比如在肝细胞癌中,p53抑制丙酮酸进入线粒体。而在胰岛β细胞中,p53通过下调丙酮酸羧化酶 (PC) 来抑制线粒体丙酮酸羧化为草酰乙酸进入三羧酸循环。值得注意的是,2019的一篇 Nature 论文发现,p53可以促进丙酮酸羧化酶(PC)表达。PGC1α/β是重要的线粒体生成和功能调节蛋白。在细胞遇到端粒损伤时,p53会抑制PGC1α/β,从而阻碍线粒体功能。这些活动都会导致三羧酸循环和氧化磷酸化受损。
 
脂质代谢

脂质在细胞活动中有重要作用,可以参与膜结构的组成,提供能量以及信号传导。大多数正常细胞 (除了少数细胞类型比如脂肪细胞和干细胞) 从头合成脂质的能力很差,需要从循环系统获取必要脂质。但在肿瘤细胞中自身合成脂质的能力却大幅提高。

在机体层面,p53是促进脂质合成还是分解存在争议。目前研究既观察到p53促进脂质的转运和积累,也有报道表明p53的激活不利于脂质积累。比如一项研究表明:相比于野生型p53小鼠,在饲喂高脂食物时,p53敲除的小鼠会表现出明显的肥胖和肝脏脂肪积累。在细胞层面,p53主要促进脂质分解以及氧化 (lipolysis and fatty acidoxidation) 。脂肪酸β氧化最终可以促进OXPHOS的进行,从而提供给细胞比分解葡萄糖更多的能量。

由于肿瘤细胞需要积累或合成脂质来生长和增殖,p53促进脂质分解会导致肿瘤抑制。但是,当肿瘤细胞面临营养物质缺乏的时候,p53的这种功能反而可以保证肿瘤细胞的能量供应,从而抵抗营养剥夺压力。比如在一个神经纤维瘤模型里,p53通过诱导靶基因CPT1C表达来促进脂肪酸氧化,从而帮助肿瘤细胞在缺乏氧气和葡萄糖的环境下存活。从这一方面来说,p53在这个特定细胞、特定状态下反而充当了癌基因的角色。

另外,p53也能促进某些脂质的合成,比如心磷脂和某些sphingolipid。p53也参与胆固醇的合成,吸收和排出。p53还能参与调控一个重要的脂质代谢通路—甲羟戊酸通路。p53在改变细胞膜脂组成,肥胖以及褐色脂肪分化等方面也有作用。

氨基酸代谢

肿瘤细胞对于某些氨基酸的需求极大,其中最重要的包括谷氨酰胺Gln和丝氨酸Ser。p53能够激活几种氨基酸转运子如SLC1A3,SLC7A3以及SLC7A11来分别调节Asp,Arg和Cystine的吸收。特别地,p53可以通过促进Asp和Arg的吸收来帮助肿瘤细胞抵御营养物质缺乏。而p53调节SLC7A11则可以影响细胞对于铁死亡的敏感性 (见后文) 。除此之外,p53还能调节Ser,Glu/Gln和Pro的代谢。p53也能参与其它氮代谢,比如氨类代谢 (包括多聚胺代谢和尿素合成)

核苷酸代谢

肿瘤细胞由于需要快速分裂,所以对于核苷酸需求很大。p53通过抑制多种核苷酸合成来抑制肿瘤增殖。但是,核苷酸合成也是DNA修复所必需的。所以,p53也能激活p53R2 (RRM2B) 来促进核苷酸合成。肿瘤细胞微环境里游离腺苷酸水平往往会升高。p53诱导ADORA2B的表达来感知游离腺苷酸水平,从而抑制肿瘤。

铁代谢

铁是细胞必需的一种微量元素。p53通过调节铁转运蛋白TfR1,ZIP14和Fpn来调节细胞内铁水平。另外,细胞内不是所以铁都能被细胞所利用,相当大一部分铁是被螯合在一些储铁蛋白里,包括铁硫簇ISU和ferritin。p53促进ISU和ferritin的合成以降低细胞内可利用的铁的含量。

活性氧代谢

p53调节活性氧产生和消除

活性氧 (ROS) 的产生是细胞活动所不可避免的。适度的ROS可以促进细胞信号传递和细胞增殖,但是过量的ROS可以氧化多种细胞活性物质,导致DNA损伤,从而导致细胞死亡,诱发疾病甚至癌症。

细胞内活性氧(ROS)主要通过一氧化氮合酶  (NOSs) 、花生四烯酸脂加氧酶 (ALOXs) 、NADPH氧化酶 (NOXs) 、环氧合酶 (COXs) 和细胞色素P450家族 (CYPs) 等几类氧化酶产生。相应地,细胞也发展出一整套anti-ROS系统来消除过多的活性氧(ROS)

多数情况下,p53抑制活性氧产生。p53可以下调COX-2,NOS2和NOX4来减少活性氧产生。另外,p53还可以促进多种抗氧化酶的表达。另一方面,当活性氧水平高过一定阈值,p53可以转为促进活性氧的产生。过高的活性氧可以促进p53介导的细胞死亡,从而抑制肿瘤。

p53调节铁死亡

p53调节铁死亡

铁死亡 (ferroptosis) 是哥伦比亚大学 Brent Stockwell 教授在2012年发现的一种细胞死亡新形式。铁死亡有三个核心要素:脂质活性氧 (ROS) 。鉴于p53可以参与这三者的代谢调控,可以推断p53也许能够参与调节铁死亡。

顾伟 实验室在2015年的一篇 Nature 论文里 首次揭示了p53可以通过促进细胞发生铁死亡从而抑制肿瘤发展

胱氨酸/谷氨酸反转运体xCT由两个亚基 (SLC7A11和SLC3A2) 组成,可以在向细胞内转入L-胱氨酸的同时1:1地转出L-谷氨酸。胱氨酸是半胱氨酸的二聚体。半胱氨酸是合成谷胱甘肽 (GSH) 的重要成分。而谷胱甘肽正是最主要的铁死亡抑制蛋白GPX4的还原力供体。半胱氨酸的缺乏会导致细胞谷胱甘肽合成不足,从而影响到GPX4的正常功能,导致细胞发生铁死亡。

这篇 Nature 论文首次发现p53可以转录水平抑制SLC7A11表达,从而促进细胞发生铁死亡,导致肿瘤抑制。进一步的研究表明,p53 K101的乙酰化对于p53抑制SLC7A11有重要作用。有趣的是,p53 3KR突变体在丧失诱导细胞周期停滞,衰老或者凋亡的同时,保留了抑制SLC7A11从而诱导铁死亡 (和抑制肿瘤) 。但是p53 4KR突变体以及一个非洲人来源p53 SNP P47S却失去了抑制SLC7A11和诱导铁死亡 (以及抑制肿瘤) 的功能。这些结果表明 诱导铁死亡可能是p53抑制肿瘤的最重要武器

2019年,顾伟实验室的一篇 Nature Cell Biology 论文证明了p53-SLC7A11轴还可以通过谷胱甘肽非依赖的方式来促进铁死亡。文章发现脂质氧化酶ALOX12是p53依赖的铁死亡发生的关键调控因子。但是SLC7A11却可以直接结合ALOX12从而限制其功能。当p53下调SLC7A11的同时,会释放ALOX12。游离的ALOX12可以氧化细胞膜磷脂的多不饱和脂肪酸链,导致细胞发生铁死亡。

另外,顾伟实验室2016年的一篇 PNAS 论文发现p53可以诱导SAT1的表达,从而促进ALOX家族另一个成员ALOX15的功能以增强细胞铁死亡

2015年,纪念斯隆凯特琳癌症中心的姜学军教授团队在一篇 Mol Cell 论文里报道谷氨酰胺代谢 (glutaminolysis) 可以促进铁死亡的发生 (一作为哈工大生命科学中心高明辉研究员) 。而p53的靶基因GLS2能够催化glutaminolysis过程,也许会对铁死亡有影响。

另外顾伟实验室还发现p53能够调节PHGDH以抑制丝氨酸的合成,也许可以影响谷胱甘肽合成来促进铁死亡。此外,p53还能通过诱导lncRNA PVT1表达或者直接结合线粒体铁转运蛋白SLC25A28来促进铁死亡。而铁死亡的两个标志分子PTGS2和CBS也都被证明是p53的靶基因。上述大量的证据支持了p53对于铁死亡的促进作用

然而就像之前提过的其它代谢过程,p53也被证明在某些情况下抑制铁死亡的发生。细胞周期调节蛋白p21是p53的重要靶基因。p21可以抑制细胞周期的进行,从而将部分用于合成核酸的原料转为合成还原力NADPH和谷胱甘肽,这将抑制铁死亡的发生。

另外,西南医学中心的唐道林教授一篇 Cell Reports 论文发现:在结直肠癌里p53可以直接结合DPP4从而将之束缚在细胞核内。DPP4将不能到细胞质中结合NOX1来促进铁死亡的发生。

综合起来,尽管有少数反例存在 (可能是因为实验中细胞类型的不同) p53在绝大多数情况下能够促进细胞发生铁死亡,从而抑制肿瘤。这可能为治疗肿瘤 (尤其是p53突变的肿瘤) 提供一个新思路。

p53调节自噬

p53调节细胞自噬

自噬 (Autophagy) 在肿瘤发展过程中的作用有两面性。适度的自噬可以为肿瘤细胞提供能量和生物合成的原料;但过度自噬则可能引起肿瘤细胞死亡。自噬及时地清理受损的蛋白和细胞器也能阻止肿瘤的产生。细胞核内p53主要通过诱导多个靶基因表达促进自噬发生。但也有例外,比如唐道林教授课题组发现细胞核p53可以结合HMGB1从而抑制其介导的自噬反应。在细胞质中的p53则主要抑制自噬 (包括线粒体自噬) 发生。另外,mTOR和AMPK是自噬的两个重要调节分子。p53与它们有广泛互动,可以间接影响自噬 (见下文)

p53与代谢感受器分子的串扰

p53与代谢感受器之间的crosstalk

准确而及时地感知细胞内外物质和能量状态,是合理调节细胞代谢的前提。2018年,复旦大学雷群英教授和王义平副研究员在  Signal Transductionand Targeted Therapy 期刊发表综述文章提出了代谢物感知和信号传递的三要素模型,认为这个过程需要感受器-传感器-效应器 (sensor-transducer-effector) 三个基本元件来完成。而AMPK,AKT和mTOR则在最重要的代谢感受器之列。p53与这几个sensor有广泛而复杂的串扰 (crosstalk) 。总的效果来说,p53促进AMPK,抑制AKT和/或mTOR来促进分解代谢,抑制合成代谢。但也有一些例外。而这三个sensor也可以反作用于p53,影响p53水平和活性。如果按照sensor-transducer-effector的三元件模型来看,p53既可以充当transducer来将sensor所感受的物质和能量状态传递到下游靶基因,以引起相应反应;又可以扮演一个super-sensor的角色,来放大sensor的信号。

突变的p53与代谢调节


突变p53调节细胞代谢

就所有肿瘤类型而言,p53可以说是最广泛突变的基因。超过一半肿瘤患者携带p53突变。根据p53数据库http://p53.iarc.fr/,在p53基因里已经发现超过1500种突变。其中有六个热点突变位点 (175, 245, 248, 249, 273和282) 占据了所有p53突变近28%的比例。

相对于野生型p53,突变 的p53可以呈现出功能缺失(LOF) 、功能增益(GOF)或者显性负效应 (DNE) 等功能变化。在很多时候,突变的p53会从抑癌基因转变为癌基因。这些变化很大程度来自于突变p53对于细胞代谢的调节能力。目前的研究表明,突变的p53可以参与上述所有野生型p53调节的代谢通路。但是相较于野生型p53,突变的p53在代谢调节里的作用方式,靶基因和最终效果都可能有一定改变。

p53抑癌作用的新模型

p53基因起源于八亿年前。在长时间的进化历程中,p53及其核心调控网络都呈现高度保守性,这提示了p53对于不同类群生命体的重要作用。

过去四十年关于p53的大量研究,揭示出p53两个主要且相互关联的作用领域:环境刺激响应以及肿瘤生物学。但是,对于绝大多数携带p53的生物而言 (包括进化史中的人类) ,鉴于有限的寿命,TA们在一生中得癌症的几率其实并不高。但是环境刺激和压力在生命体的一生中却是无时无刻无处不在的。所以说,对于绝大多数物种、在绝大多数时间里,p53的主要功能是帮助细胞/机体抵抗环境压力,维持稳态平衡。p53进化出多种手段以实现这一目的,因此可以被称为“细胞守护者”。从这个意义来说,p53在肿瘤中的作用可以视为它对抗环境刺激功能的一个特殊应用

在p53被发现后的十年里,它一直被视为一种癌基因。1989年,几个实验室独立证明p53其实是一个抑癌基因。接下来的大量研究更加坚实了p53作为最重要之一的抑癌基因的地位。

然而在近年来 (尤其是2010年之后) ,多项研究表明在某些情况下野生型p53也能够促进肿瘤发展 (而其中大部分例证来源于p53对于代谢的调节作用) 。所以要想单一地把p53归为癌基因或者抑癌基因都有失偏颇。事实上,任何一个癌症相关基因要被划分为癌基因或者抑癌基因都应该基于一定的背景 (组织/细胞类型,细胞状态,蛋白表达量等)

但是,我们却可以用另外一种视角来将p53的功能归于两类:促进生存 (pro-survival) 促进死亡 (pro-death) 。在某些情况下,p53的激活可以帮助细胞抵抗环境压力,保持存活。比如在低水平的DNA损伤时,p53促进细胞周期停滞和DNA修复,避免突变进一步扩大或者传递到子代细胞或者造成细胞死亡。另外,当细胞面临营养不足时,p53促进OXPHOS、脂肪酸氧化和自噬来保证能量供应。这种促进生存(pro-survival)的策略是经济适用的,因为修复一个受损细胞或者帮助细胞抵御刺激比让一个细胞死于压力,然后重新通过分裂获得新的细胞在时间、物质和能量成本上更低。在另一些情况下,激活的p53会引起细胞死亡 (包括衰老,凋亡,坏死或者铁死亡等) 。表面上看,这种促进死亡(pro-death)的策略有些残酷,但淘汰受损的细胞可以有利于其它健康细胞的存活。机体/器官/组织作为一个整体,需要牺牲少数细胞的适合度来换取整个集体的生存。总的而言,这两种作用方式在一定时候都可以遏制肿瘤的生长。

p53代谢调节功能对肿瘤的影响

当p53使用促进生存(pro-survival)策略抑制肿瘤,这里有两种情况:

第一、某些压力本身不仅仅伤害细胞,还可能引起细胞癌变,比如活性氧和DNA损伤。p53在对抗这些压力、保护细胞生存的同时,也阻止了细胞发生癌变 (“防肿瘤于未然”)

第二、肿瘤细胞有异于正常细胞的代谢模式。压力激起的p53代谢调节可能正好抑制了肿瘤生长所需要的代谢状态 (比如p53抑制糖酵解和脂质合成,促进OXPHOS和脂质分解等) ,这正好也能抑制肿瘤的生长发展 (“抑肿瘤于初始”)

但是,尽管肿瘤有许多迥异于正常细胞的特征,但它们仍然还是细胞,也和正常细胞一样共享一些代谢需求。比如过度的活性氧也会杀死肿瘤细胞;肿瘤组织里往往氧气和营养物质供应不足,不利于肿瘤生存。p53所介导的促进生存(pro-survival)反应可能被肿瘤细胞所利用来克服这些逆境。这种情况下,p53反而起到肿瘤“帮凶”的作用。一些p53的靶基因本来主要是发挥抑癌基因功能的 (比如p21) 或者是与肿瘤发展关系不大的中性基因 (比如SLC7A3) ,这时候却扮演癌基因的角色。还有一种可能是p53一些靶基因本身就主要是癌基因,比如MDM2,TIGAR和SIVA,当p53激活这些基因来帮助细胞抵抗压力的同时,也唤醒了它们癌基因的功能。最后,临床上,p53的表达还可能干扰一些抗癌治疗的效果。

当p53使用促进死亡(pro-death)策略抑制肿瘤,这可能是一种更强效也更安全的选择 (相对于pro-survival) 。当p53启动这个功能,将导致肿瘤细胞不可逆转地走向死亡。需要注意的是,虽然p53可以用多种方式造成肿瘤细胞死亡,但是这些方式的效果并不一致。如前述,曾经学术界把p53介导的细胞周期停滞、衰老和凋亡作为其抑制肿瘤的主要方式,但后来这些方式却被一系列实验证明不是p53抑癌所必需的。

最近的研究提示了诱导铁死亡可能是p53抑癌的终极武器。尽管才被命名不到十年,但铁死亡已经显示出与许多疾病的相关性,特别是肿瘤。特别地,铁死亡是迄今发现的唯一一种主要由细胞代谢 (包括铁,脂质,活性氧和自噬等) 紊乱所造成的细胞死亡方式。p53被证明可以调节所有铁死亡相关的代谢通路。诱导铁死亡,是p53对细胞代谢调节的多重效果整合在一起的最终表现。

顾伟 实验室的3KR和4KR p53小鼠结果也有力地支撑了诱导铁死亡可能是p53抑制肿瘤最重要手段的结论。但是,目前仍然有许多问题亟待澄清:比如铁死亡的所有生化和分子机制,p53到底通过什么机理调节铁死亡,以及铁死亡到底在p53抑制肿瘤功能里扮演多么重要的角色。

结论与展望

p53在细胞响应环境刺激和抑制肿瘤方面的重要性是无疑义的。如果仔细检视p53迄今被报道的靶基因 (直接或非直接调控的靶基因) ,可以看到其中大多数与细胞代谢有关。调节细胞代谢对于p53各种功能 (包括抑制肿瘤) 的实现都至关重要。这篇综述主要关注p53代谢调节功能与肿瘤的关系。限于篇幅,相关领域仍有一些重要的主题没有在正文中详细讨论,这里略举几例,抛砖引玉,供大家参考。

第一 、在大多数时候,p53是在细胞核中作为转录因子发挥功能。但是p53却也有很多功能不是通过充当转录因子来实现。比如细胞质中 (尤其是定位于线粒体) 的p53也可以调节糖酵解,氧化磷酸化,凋亡,活性氧和自噬等。有意思的是,细胞质中p53功能往往与细胞核中不一致甚至相反。即使在细胞核中,p53也未必以转录因子身份行使功能。另外,p53的不少靶基因本身就是一些基因表达调节分子,比如miRNA、lncRNA和DNA去甲基化酶TET2。p53引起的这些基因水平变化会更广泛地影响更下游的靶基因。因此,当谈论某某基因是p53的靶基因时,需要仔细区分审视是否是p53直接以转录因子身份激活/抑制转录的靶基因。

第二 、考虑到p53调节代谢的复杂性,目前并不是完全清楚这整个调控网络是如何被协调运行的。这里包括两个方面的问题:首先是当细胞遇到压力时,p53如何被激活以发挥功能。经过几十年的研究,许多能激活p53的上游分子已经被鉴定,比如p300/CBP,Tip60,ATM/ATR,AMPK等。当然,仍然可能存在另外一些能够将外界信号传递给p53的分子和信号通路有待被发现。

另一个更重要的问题是:p53激活后,如何选择调节下游哪个/些靶基因?p53靶基因的选择性是p53甚至整个转录因子研究领域的核心问题之一。压力的类型、强度和持续时间是最终决定p53如何行使功能的因素之一。

目前最广泛被接受的观点是:当刺激温和、短暂且容易被承受时,p53主要发挥促进生存(pro-survival)功能,比如促进细胞周期停滞,促进DNA修复,降低活性氧,提高能量供应等。当刺激强烈、持续且难以忍受时,p53则会激发pro-death的模式 (诱导细胞衰老,凋亡或者铁死亡等) 。在分子层面,细胞类型,p53表达量,表达部位,转录后修饰,结合蛋白以及某个靶基因的表观状态 (比如启动子区域核小体缠绕情况,组蛋白和DNA修饰情况等) 都会影响p53的靶基因选择。另外,p53在发挥功能过程中,存在大量反馈调节,特别是那些和代谢master regulator (比如c-Myc,HIF和NRF2) 以及metabolic sensor (AMPK, AKT和mTOR) 之间的crosstalk都是影响p53靶基因选择的重要因素。

第三 、与第二个问题非常相关的一点是:如此繁多的功能里,哪一项才是p53对抗肿瘤的关键?在前文里我们已经详细比较了p53两种作用模式 (pro-survival和pro-death) 的区别。就目前的研究进展看来,pro-death (尤其是诱导铁死亡) 可能是p53抑癌的最重要机理

第四 、除了直接调节肿瘤细胞的代谢,p53还可以影响肿瘤微环境。其中很重要的一点是调节微环境中的免疫细胞。肿瘤免疫是肿瘤基础研究和临床治疗领域的热点。和正常细胞一样,代谢也深刻影响免疫细胞的发育和功能。目前大量证据表明p53可以影响免疫系统功能。鉴于p53在细胞代谢中的广泛在作用,不难设想p53也可能通过调节肿瘤相关免疫细胞的代谢活动来影响其功能,进而影响肿瘤发展。目前已有一些证据支持这一假设。

第五 、除肿瘤以外,p53也能参与调节其它代谢性疾病,比如肥胖、糖尿病、肝脏及心血管疾病,干细胞以及衰老等。p53甚至在运动锻炼中也有作用。另一个问题是:虽然多数研究集中在缺乏营养对p53功能的影响,事实上当营养过剩也会影响p53功能。另外,要区分p53在细胞代谢和机体代谢中的不同作用。最后,p53不仅仅参与体内生物活性分子的代谢,还能调节吸入/吃入/摄入的有毒物质、环境污染物和药物等的代谢。

第六 、正文里主要讨论全长的野生型/突变型p53的功能。事实上p53的许多变体也有生物学功能。这些变体包括选择性拼接产生的p53异构体以及单核苷酸多态性 (SNP) 。另外,p53家族还有另外两个成员p63和p73也有代谢调节和肿瘤抑制功能。这些变体和同源分子也值得未来深入研究。

第七 、研究p53在代谢调节和肿瘤抑制中的作用,有望为靶向p53来治疗肿瘤或者其它代谢性疾病提供可能。但目前有一些障碍需要突破。在代谢调节之外,p53还有很多别的功能;就代谢调节而言,p53可以影响多条代谢通路;即使是具体到某一条代谢通路,p53可能既有促进也有抑制作用。所以,很难高度特异性地靶向p53的某一个具体代谢功能而不影响其余功能。有一种方法就是在靶向p53的同时也靶向其上游调节信号或者下游执行功能的蛋白分子。

就肿瘤治疗而言,到底选择激活p53的促进生存(pro-survival)的功能还是促进死亡(pro-death)的功能也需要慎重对待。激活促进生存(pro-survival),可能反而会对肿瘤细胞生存有利;激活促进死亡(pro-death),有可能造成治疗过程中的副作用。所以必须根据肿瘤的具体情况来进行干预,不能一概而论。

另外,肿瘤里更常见的是突变的p53。目前的主要策略是降解突变体p53;或者改造突变p53的蛋白折叠,使得其恢复野生型p53的构象和功能。另外,如果要考虑靶向其余p53变体 (isoform或者SNP) ,以及p53家族成员p63和p73,这一问题将更加复杂。

最后,当前p53研究,肿瘤代谢以及铁死亡等领域都在蓬勃发展,我们期待接下来的研究能够阐明这几者之间的关系,为治疗肿瘤和其它疾病提供有利支持。

本文通讯作者为哥伦比亚大学医学院顾伟教授,第一作者为顾伟教授实验室刘彦卿博士。

通讯作者介绍


顾伟,1986年毕业于北京大学,1995年获美国哥伦比亚大学博士学位,1995-1998在洛克菲勒大学从事博士后研究 (导师为真核生物RNA聚合酶发现者、拉斯克奖得主 Robert Reoder 教授) 。1999年入职哥伦比亚大学。2007年至今在哥伦比亚大学医学中心担任正教授、哥伦比亚大学Institute for Cancer Genetics的Abraham and Mildred Goldstein Professor。

顾伟 教授主要从事p53在肿瘤抑制中的功能研究。他在p53相关调控通路 (乙酰化和去泛素化) 研究领域取得了杰出成就,在 Cell、Nature、Science、Nature Cell Biology、Nature Genetics、Molecular Cell 和 Cell Metabolism 等国际权威杂志上发表论文50余篇,包括以通讯作者在 Cell (7篇) 、Nature (6篇) 和 Science (1篇) 发表论文14篇,论文总被引40530次,并担任 Cell、Nature、Science 和 PNAS 等国际权威期刊的特约评审人。

论文链接:
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1044579X21000602


本文由作者自行上传,并且作者对本文图文涉及知识产权负全部责任。如有侵权请及时联系(邮箱:nanxingjun@hmkx.cn
关键词:
p53,肿瘤,基因,代谢,细胞,功能,调节

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