結構生物化學/p53

p53 是多細胞生物中研究最廣泛的腫瘤抑制基因 之一。它於 1979 年被發現，至今已發表了 60,000 多篇關於它的論文。 它被稱為“基因守護者”，1993 年被《科學》雜誌評為“年度分子”。 它也被稱為“蛋白質 53”或“腫瘤蛋白 53”，是 p53 家族中的一部分，該家族還包括p63 和p73。這種腫瘤抑制基因受一個名為“TP53 基因”的基因調控。p53 透過感知致癌細胞毒性和基因毒性應激訊號起作用，並透過訊號傳導細胞週期停滯以及凋亡來響應，以防止細胞進一步生長。幾項實驗表明，由於失活、重排或其他導致蛋白質失去功能的變化而導致 p53 丟失，會促進癌症的生長和存活。 。據估計，50% 的癌症患者的 p53 蛋白存在突變

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

人類的腫瘤抑制基因 p53 是一種由 393 個氨基酸組成的多肽，它包含五個結構域。p53 作為四聚體發揮作用，它具有四個相同的 393 殘基鏈。N 端區域由無序轉錄域和富含脯氨酸的區域組成。在 C 端，p53 包含未摺疊鹼性氨基酸的調節域，它作為轉錄因子非特異性地結合 DNA。 該蛋白質通常存在於細胞的細胞質中。如果細胞正常運作並且不需要 p53 蛋白，則它會被 MDM2 蛋白降解。 如果細胞受到壓力或存在問題，則 p53 會被傳遞到細胞核，在那裡它會二聚化並最終四聚化以作為轉錄因子發揮作用。 。

結構

p53 是一種調節細胞週期的蛋白質。p53 蛋白中存在三個結構域，它們直接負責 DNA 修復或細胞死亡。 這三個結構域分別負責與 DNA 結合、將蛋白質（其他轉錄因子）募集到 DNA 上，以及第三個結構域是 C 端的調節域，它調節 p53 與 DNA 的結合。 野生型 p53 是一種不穩定的蛋白質，由摺疊和非結構化區域組成，它們以協同方式發揮作用。

N 端 p53

p53 的 N 端具有未摺疊區域，但具有包含疏水殘基的二級殘餘結構。酸性 TAD，主體，具有兩個定義不明確的子域（TAD1 和 TAD2），具有與處理轉錄機制和轉錄共啟用因子的蛋白質的多個相互作用的結合位點。由於 TAD 的內在無序性，它可以促進與不同蛋白質的高特異性結合。p53 的 N 端處理翻譯後修飾，其中絲氨酸和蘇氨酸殘基被多種蛋白激酶多次磷酸化，從而改變了與競爭結合 p53 的不同蛋白質的親和力。位於 N 端的富含脯氨酸的區域將 TAD 連線到人類的 DNA 結合域。位於 p53 中的 PXXP 基序有助於修飾和介導蛋白質間的相互作用。

DNA 結合域

p53 的 DNA 結合位點長 20 個核苷酸。由於該蛋白質是四聚體，這意味著每個二聚體與具有從 5' 到 3' 方向的通用模式 Pu Pu Pu C A/T A/T G Py Py Py 的 10 個鹼基對序列結合。 由於 p53C 的晶體和溶液結構，已經發現了結構，其中 p53C 記憶體在與訊號蛋白域結合的複合物。這包括能夠為 DNA 結合表面提供支架的免疫球蛋白 β 三明治。存在一個環片螺旋基序，它與包括環 L1 和 S2 和 S2' 的 β 鏈在內的 DNA 主要溝道對接。雖然這些環很大，但它們被鋅離子穩定。如果這個鋅離子丟失，熱力學穩定性會降低，而聚集趨勢會增加。

C 端

C 端包含有助於四聚化的蛋白質區域。在 3 個殘基的幫助下，它形成了二聚體的中心疏水核心。穩定二聚體的形成是透過溶液中的高蛋白質濃度實現的。一些極端的 C 端可能透過區域性無序到有序轉變從與非特異性 DNA 或蛋白質結合變得本質上無序。來自殘基的一些基序可能會影響確認。C 端對於大型 DNA 分子中靶基因的有效結合和反式啟用是必需的。

機制 p53 在細胞週期控制和凋亡中起著重要作用。有缺陷的 p53 也會允許異常細胞增殖，從而導致癌症。當 DNA 損傷時，它會觸發 p53 蛋白量的增加，這些蛋白質具有三個主要功能。它們是 DNA 修復、生長停滯和凋亡（細胞死亡）。p53 的細胞濃度必須嚴格控制。然而，高水平的 p53 可能會透過過度凋亡加速衰老過程。

p53 在疾病中的作用 當 p53 減少時，腫瘤抑制會降低。p53 也受到誘變劑（病毒、化學物質或輻射）的破壞。此外，p53 本身可以抑制正常的 p53（Blagosklonny，2002）。

p53 靶基因識別

p53 透過結合其選擇的雙鏈 DNA 序列來調節基因轉錄。換句話說，p53 蛋白充當轉錄因子。p53 可以描述的每個半位點都是一個反向五聚體四分之一位點。人類基因組被發現具有高機率的結合位點，其中包含沒有插入的半位點。在 p53C 域內，有 4 個結合響應元件的位點，這些位點在與全長蛋白質結合後會增加。四聚體還展示了不同的結合區域，這些區域是透過對稱二聚體形成的。介面透過疏水和水介導的極性接觸來穩定在透過結合的環內。在二聚體中觀察到弱的蛋白質-蛋白質相互作用，這可以反映在不同間隔符內的響應元件中。DNA 介面的關鍵殘基與 DNA 域內的 DNA 半位點在 DNA 小溝內形成直接接觸。在形成接觸時，它會形成有助於結合的鹽橋。雖然與 DNA 的特異性接觸很重要，但 DNA 域內的殘基有時會無序。

p53 癌症與突變

雖然 p53 可能有助於抑制腫瘤，但一些 TP53 基因的突變在一些人類癌症中被發現。這些癌症可能超過 17,000 例體細胞 p53 錯義突變。一些原因可能是 p53 基因之間的共同祖先。突變體之間存在不同的突變體類別。接觸突變會去除 DNA 接觸殘基，而結構突變會影響對 DNA 結合表面總體而言至關重要的殘基。平衡展開和變性使響應元件能夠找到更多突變體類別。B 三明治突變存在於 1/3 的癌症病例中，其中 B 三明治無法與周圍結構塌陷。突變使蛋白質不穩定，導致疏水相互作用丟失。 p53 中大多數突變是錯義突變，它們影響蛋白質的 DNA 結合域區域。當這種情況發生時，分子將不再能夠與 DNA 結合，從而導致功能喪失。 在其他情況下，已發現該分子仍然可以四聚化，並且仍然能夠與 DNA 結合，但它不再能夠作為轉錄因子發揮作用。

對於導致蛋白質喪失其與 DNA 結合能力的突變，有一組突變實際上會導致“功能獲得”，而 p53 現在具有致癌作用。在這種情況下，據認為 p53 結合 p73 的 DNA 結合域，從而透過阻止 p73 結合其靶標來使 p73 失活。結果，這抑制了 p73 負責的途徑，即反式啟用和凋亡，從而進一步促進癌症。已經失活的 p53 對 p73 的這種失活進一步導致對化療反應降低。p53 透過使用細胞週期阻滯、凋亡和衰老來抑制腫瘤形成。該基因具有作為腫瘤抑制劑的一部分誘導細胞凋亡的能力。p53 被細胞中的損傷啟用，並被 MDM2 抑制，當 p53 變得過於啟用而無法被抑制時，它有可能啟用細胞中的凋亡途徑，以及其他途徑。一些啟用 p53 的蛋白質是 MAPK 蛋白、ATR、TP53RK 和 p14ARF。p53 上的乙醯化位點在控制特定的 p53 啟用位點方面起著關鍵作用，如果兩者都發生突變，突變會導致 p53 誘導細胞週期阻滯和凋亡的能力喪失。

p53 的調控

MDM-2（鼠雙分鐘 2）是 p53 的負調節因子，它透過與包含反式啟用域的前 42 個 N 末端殘基結合來發揮作用。 當 MDM-2 與 p53 結合時，它會導致形成 α-螺旋構象，這成功地阻斷了 C 末端域區域中賴氨酸殘基的轉錄和泛素化。當感覺到應激訊號或異常細胞分裂時，ARF 基因被轉錄，其目的是與 MDM-2 結合並抑制其活性，從而使 p53 水平升高。

3D 結構

由於非常複雜的摺疊，特別是 C 末端和 N 末端，確定 p53 的 3D 結構一直非常困難。研究這種有趣蛋白質的三維結構的最佳方法是分別檢視其每個結構域的結構。到目前為止已解決的結構域結構是四聚化域；與 DNA 結合的 DNA 結合域，與反式啟用域的複合物；以及與蛋白質複合物的調節域的一些部分。