【高分综述 065】TP53：最不幸的基因？

• 转录因子p53在细胞防御癌症发展中扮演关键角色，几乎在每种肿瘤中都会出现失活，其中约一半是由于TP53基因的突变。

• 这种多样的突变谱系在所有其他与癌症相关的蛋白质中是独一无二的，本文探讨了在癌症中选择TP53突变的驱动因素。

• 多种因素共同作用使得p53蛋白特别容易受到突变的影响，这些突变不断困扰着我们的基因组。

• TP53基因因其自身的进化历史而成为受害者，其结构和功能被塑造成一个多能的肿瘤抑制因子，但同时也带来了其DNA结合域的结构脆弱性。

早期发现暗示p53的结构脆弱性及其影响

功能性分析揭示主要TP53热点变异

• 功能性分析显示，TP53的热点变异如R175H或R175P与蛋白质的非折叠构象和分子伴侣的结合有关，而248或273位点的变异（例如R248L或R273H）则没有引起这种变化。

• 这些发现后来通过p53的中央区域晶体结构的阐明得到了解释，该区域被确定为特定的DNA结合域（DBD），并导致了对常见癌症突变的简单二元分类：接触突变破坏直接与DNA接触的氨基酸（在273和248位点）和结构突变破坏DBD的结构/构象（在175、249或282位点）。

p53的晶体结构阐明

• p53的DBD的晶体结构阐明和对该域作为特定的DNA结合域的识别为上述发现提供了解释，并导致了对常见癌症突变的简单二元分类。

• 后来发现，R175H变异实际上属于一种特殊的结构突变亚组，它们直接影响锌的结合，这对于DBD的整体热力学和动力学稳定性以及DNA结合表面的结构完整性至关重要。

热敏变异的发现

• 在小鼠和人类细胞中发现的热敏变异非常罕见，这些变异如A138V和V143A突变体在允许的温度（32°C）下具有野生型样的构象和活性，而在非允许的温度（37°C）下蛋白质展开，导致功能丧失。

• 这种温度变化下的行为也在冷血的爪蟾Xenopus laevis的p53同源物中发现，尽管在这种情况下是针对野生型蛋白。当在37°C表达时，这个温度高于动物的生理体温，爪蟾p53 DBD采取突变型样的构象，结合分子伴侣Hsc70，全长蛋白失去了所有的生长抑制活性，而在32°C或更低温度下表现正常。

p53的固有不稳定性

• 结构和生物物理研究描述了p53 DBD的固有不稳定性。这个域因此对任何突变引起的局部扰动非常敏感，导致在许多情况下在体温下全局展开，伴随着其DNA结合能力的丧失。

• 换句话说，其低固有稳定性使p53容易受到破坏性突变的影响，这些突变在更稳定的结构框架中可能导致良性表型。

大规模功能性分析TP53变异的洞见

C. Ishioka团队的开创性论文

• 2003年，C. Ishioka团队发表了一篇具有里程碑意义的论文，他们对TP53的每个位置进行了饱和突变研究，并展示了大多数在中央DBD的错义突变会导致蛋白的转录激活活性丧失。

• 这项研究与人类肿瘤中发现的突变有很强的相关性，这表明TP53的功能丧失与癌症发生有着密切的联系。

最近的研究扩展

• 近期的研究通过在哺乳动物细胞中进行TP53饱和突变筛选，使用细胞死亡或生长停滞作为TP53活性的读出，进一步扩展了这些观察结果。

• 这些研究强调了两个重要特征：首先，与其他肿瘤抑制基因相比，超过一半的可能TP53错义变异在DBD中导致功能丧失，这使得选择较少见的移码突变变得不必要。其次，无论使用何种检测TP53功能丧失的实验方法，未在人类癌症中发现的错义变异通常显示出显著的残余活性。

TP53饱和突变的优势

• 饱和突变的一个主要优势是能够无偏倚地生成变体，无论它们是否在人类癌症中被选择。

• 这些研究进一步证实了TP53的功能丧失与癌症发生之间的强相关性，强调了在肿瘤转化过程中选择这些变异的必要性。

TP53突变的免疫原性

• 与大多数移码突变不同，错义突变产生的突变肽可以被免疫系统识别为新抗原，这为指导免疫反应对抗肿瘤提供了治疗潜力。

• 最常见的热点突变似乎比非热点突变的免疫原性要低，这可能是它们在癌症样本中普遍存在的原因之一，因为它们可能没有被免疫系统有效清除。

几种显性负效应机制

加剧了功能丧失突变的影响

p53形成四聚体

• 与其他肿瘤抑制因子如视网膜母细胞瘤蛋白或APC相比，p53在突变失活方面处于更大的劣势，因为它能够形成四聚体。

• 研究表明，p53 DBD的错义突变（而不是其外部的突变）通过形成混合四聚体并减弱DNA结合能力，对野生型蛋白产生显性负效应，这大幅降低了杂合细胞中完全活性野生型同源四聚体的数量，可能不足以有效抑制肿瘤。

显性负效应的影响

• 细胞的困境进一步加剧，因为p53在展开时会暴露一系列易于聚集的序列 motif。

• 类似于打开潘多拉盒子，热不稳定突变的展开释放了一连串的破坏，导致不仅与杂合细胞中的野生型蛋白共聚集，还与其他细胞蛋白共聚集，包括同源蛋白p63和p73。

与p73的共聚集

• DBD介导的与肿瘤抑制因子p73的共聚集有效地消除了一个潜在的挽救途径，并且与p73的结合被认为是突变p53可能的增益功能机制之一，尽管这本质上是一种显性负效应。

突变p53在肿瘤中的作用

• 失调的、高丰度的突变p53蛋白有可能在肿瘤细胞中发挥积极作用，不仅通过DBD介导的共聚集，还通过它们在无序的N-和C-末端区域的杂乱无章的相互作用模块，这可能是突变p53肿瘤比某些癌症中的野生型肿瘤预后更差的原因之一。

TP53突变在癌症中的选择驱动因素

突变热点的特征

• TP53的突变热点特征是DNA序列具有更高的内在易感性，这些序列特别容易受到癌症细胞中最常见的致突变机制的影响。

例如，六个最常见的错义变异发生在特别容易受到与年龄相关的致突变过程影响的甲基化CpG位点上，而R249S热点突变在撒哈拉以南非洲和东南亚的肝细胞癌中普遍存在，并且直接与接触作物污染物黄曲霉毒素B1有关。

功能性数据与突变概率的结合

• 结合通过饱和突变获得的功能性数据和从癌症中最常见的致突变过程中得到的突变概率，几乎完美地模拟了观察到的TP53错义变异的谱系，而无需假设额外的致癌增益功能效应。

错义突变与免疫原性

• 与大多数移码突变不同，错义突变产生的突变肽可以被免疫系统识别为新抗原，这些新抗原有潜力被用于指导免疫反应对抗肿瘤。