结构生物化学/p53

p53 是多细胞生物中研究最广泛的肿瘤抑制基因 之一。它于 1979 年被发现，至今已发表了 60,000 多篇关于它的论文。 它被称为“基因守护者”，1993 年被《科学》杂志评为“年度分子”。 它也被称为“蛋白质 53”或“肿瘤蛋白 53”，是 p53 家族中的一部分，该家族还包括p63 和p73。这种肿瘤抑制基因受一个名为“TP53 基因”的基因调控。p53 通过感知致癌细胞毒性和基因毒性应激信号起作用，并通过信号传导细胞周期停滞以及凋亡来响应，以防止细胞进一步生长。几项实验表明，由于失活、重排或其他导致蛋白质失去功能的变化而导致 p53 丢失，会促进癌症的生长和存活。 。据估计，50% 的癌症患者的 p53 蛋白存在突变

DNA 和 p53 蛋白复合物的卡通表示（在 Cho 等人，Science 265 pp. 346, 1994 [1] 中描述）

人类的肿瘤抑制基因 p53 是一种由 393 个氨基酸组成的多肽，它包含五个结构域。p53 作为四聚体发挥作用，它具有四个相同的 393 残基链。N 端区域由无序转录域和富含脯氨酸的区域组成。在 C 端，p53 包含未折叠碱性氨基酸的调节域，它作为转录因子非特异性地结合 DNA。 该蛋白质通常存在于细胞的细胞质中。如果细胞正常运作并且不需要 p53 蛋白，则它会被 MDM2 蛋白降解。 如果细胞受到压力或存在问题，则 p53 会被传递到细胞核，在那里它会二聚化并最终四聚化以作为转录因子发挥作用。 。

结构

p53 是一种调节细胞周期的蛋白质。p53 蛋白中存在三个结构域，它们直接负责 DNA 修复或细胞死亡。 这三个结构域分别负责与 DNA 结合、将蛋白质（其他转录因子）募集到 DNA 上，以及第三个结构域是 C 端的调节域，它调节 p53 与 DNA 的结合。 野生型 p53 是一种不稳定的蛋白质，由折叠和非结构化区域组成，它们以协同方式发挥作用。

N 端 p53

p53 的 N 端具有未折叠区域，但具有包含疏水残基的二级残余结构。酸性 TAD，主体，具有两个定义不明确的子域（TAD1 和 TAD2），具有与处理转录机制和转录共激活因子的蛋白质的多个相互作用的结合位点。由于 TAD 的内在无序性，它可以促进与不同蛋白质的高特异性结合。p53 的 N 端处理翻译后修饰，其中丝氨酸和苏氨酸残基被多种蛋白激酶多次磷酸化，从而改变了与竞争结合 p53 的不同蛋白质的亲和力。位于 N 端的富含脯氨酸的区域将 TAD 连接到人类的 DNA 结合域。位于 p53 中的 PXXP 基序有助于修饰和介导蛋白质间的相互作用。

DNA 结合域

p53 的 DNA 结合位点长 20 个核苷酸。由于该蛋白质是四聚体，这意味着每个二聚体与具有从 5' 到 3' 方向的通用模式 Pu Pu Pu C A/T A/T G Py Py Py 的 10 个碱基对序列结合。 由于 p53C 的晶体和溶液结构，已经发现了结构，其中 p53C 内存在与信号蛋白域结合的复合物。这包括能够为 DNA 结合表面提供支架的免疫球蛋白 β 三明治。存在一个环片螺旋基序，它与包括环 L1 和 S2 和 S2' 的 β 链在内的 DNA 主要沟道对接。虽然这些环很大，但它们被锌离子稳定。如果这个锌离子丢失，热力学稳定性会降低，而聚集趋势会增加。

C 端

C 端包含有助于四聚化的蛋白质区域。在 3 个残基的帮助下，它形成了二聚体的中心疏水核心。稳定二聚体的形成是通过溶液中的高蛋白质浓度实现的。一些极端的 C 端可能通过局部无序到有序转变从与非特异性 DNA 或蛋白质结合变得本质上无序。来自残基的一些基序可能会影响确认。C 端对于大型 DNA 分子中靶基因的有效结合和反式激活是必需的。

机制 p53 在细胞周期控制和凋亡中起着重要作用。有缺陷的 p53 也会允许异常细胞增殖，从而导致癌症。当 DNA 损伤时，它会触发 p53 蛋白量的增加，这些蛋白质具有三个主要功能。它们是 DNA 修复、生长停滞和凋亡（细胞死亡）。p53 的细胞浓度必须严格控制。然而，高水平的 p53 可能会通过过度凋亡加速衰老过程。

p53 在疾病中的作用 当 p53 减少时，肿瘤抑制会降低。p53 也受到诱变剂（病毒、化学物质或辐射）的破坏。此外，p53 本身可以抑制正常的 p53（Blagosklonny，2002）。

p53 靶基因识别

p53 通过结合其选择的双链 DNA 序列来调节基因转录。换句话说，p53 蛋白充当转录因子。p53 可以描述的每个半位点都是一个反向五聚体四分之一位点。人类基因组被发现具有高概率的结合位点，其中包含没有插入的半位点。在 p53C 域内，有 4 个结合响应元件的位点，这些位点在与全长蛋白质结合后会增加。四聚体还展示了不同的结合区域，这些区域是通过对称二聚体形成的。界面通过疏水和水介导的极性接触来稳定在通过结合的环内。在二聚体中观察到弱的蛋白质-蛋白质相互作用，这可以反映在不同间隔符内的响应元件中。DNA 界面的关键残基与 DNA 域内的 DNA 半位点在 DNA 小沟内形成直接接触。在形成接触时，它会形成有助于结合的盐桥。虽然与 DNA 的特异性接触很重要，但 DNA 域内的残基有时会无序。

p53 癌症与突变

虽然 p53 可能有助于抑制肿瘤，但一些 TP53 基因的突变在一些人类癌症中被发现。这些癌症可能超过 17,000 例体细胞 p53 错义突变。一些原因可能是 p53 基因之间的共同祖先。突变体之间存在不同的突变体类别。接触突变会去除 DNA 接触残基，而结构突变会影响对 DNA 结合表面总体而言至关重要的残基。平衡展开和变性使响应元件能够找到更多突变体类别。B 三明治突变存在于 1/3 的癌症病例中，其中 B 三明治无法与周围结构塌陷。突变使蛋白质不稳定，导致疏水相互作用丢失。 p53 中大多数突变是错义突变，它们影响蛋白质的 DNA 结合域区域。当这种情况发生时，分子将不再能够与 DNA 结合，从而导致功能丧失。 在其他情况下，已发现该分子仍然可以四聚化，并且仍然能够与 DNA 结合，但它不再能够作为转录因子发挥作用。

对于导致蛋白质丧失其与 DNA 结合能力的突变，有一组突变实际上会导致“功能获得”，而 p53 现在具有致癌作用。在这种情况下，据认为 p53 结合 p73 的 DNA 结合域，从而通过阻止 p73 结合其靶标来使 p73 失活。结果，这抑制了 p73 负责的途径，即反式激活和凋亡，从而进一步促进癌症。已经失活的 p53 对 p73 的这种失活进一步导致对化疗反应降低。p53 通过使用细胞周期阻滞、凋亡和衰老来抑制肿瘤形成。该基因具有作为肿瘤抑制剂的一部分诱导细胞凋亡的能力。p53 被细胞中的损伤激活，并被 MDM2 抑制，当 p53 变得过于激活而无法被抑制时，它有可能激活细胞中的凋亡途径，以及其他途径。一些激活 p53 的蛋白质是 MAPK 蛋白、ATR、TP53RK 和 p14ARF。p53 上的乙酰化位点在控制特定的 p53 激活位点方面起着关键作用，如果两者都发生突变，突变会导致 p53 诱导细胞周期阻滞和凋亡的能力丧失。

p53 的调控

MDM-2（鼠双分钟 2）是 p53 的负调节因子，它通过与包含反式激活域的前 42 个 N 末端残基结合来发挥作用。 当 MDM-2 与 p53 结合时，它会导致形成 α-螺旋构象，这成功地阻断了 C 末端域区域中赖氨酸残基的转录和泛素化。当感觉到应激信号或异常细胞分裂时，ARF 基因被转录，其目的是与 MDM-2 结合并抑制其活性，从而使 p53 水平升高。

3D 结构

由于非常复杂的折叠，特别是 C 末端和 N 末端，确定 p53 的 3D 结构一直非常困难。研究这种有趣蛋白质的三维结构的最佳方法是分别查看其每个结构域的结构。到目前为止已解决的结构域结构是四聚化域；与 DNA 结合的 DNA 结合域，与反式激活域的复合物；以及与蛋白质复合物的调节域的一些部分。