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p53基因通道与肿瘤学的探讨

2012/12/24 阅读:

作者:徐文达高平杨文君单位:宁夏医科大学基础医学院生物技术系宁夏医科大学总医院肿瘤外科

在p53基因的代谢通路中,p53与MDM2(MouseDoubleMi-nute,AF527840)蛋白之间的相互调控在细胞周期中起着重要的作用。p53蛋白的降解受MDM2蛋白的控制,该蛋白与p53蛋白结合,并将p53蛋白由细胞核输出到细胞质,继而降解。由于MDM2的水平受到p53调控,一个负反馈环形成于MDM2与p53之间,保持了MDM2与p53蛋白之间比率的恒定。

野生型p53蛋白的另一个重要的生物学效应表现为上调p21WAF1/CIP1基因的表达。p21WAF1蛋白主要结合于G1期和S期的cyclin-cdk复合体。另外,p21WAF1蛋白通过与增殖细胞核抗原(PCNA)相联系,使DNA聚合酶的活性下降,损伤细胞的DNA复制过程转变成为DNA修复(详见后述)。

MDM2基因的结构与功能

1MDM2基因及其蛋白的的正常结构

MDM2基因是一种癌基因,定位于人染色体12q13-14。人的MDM2基因编码区全长1467bp,属于进化保守基因,与许多动物细胞的染色体都有同源性,在序列上与小鼠有80.3%的同源性。MDM2基因表达的调节相当复杂,并且有不同的mRNA剪接形式。编码蛋白由491个氨基酸组成,含有2个锌指样结构,一个酸性激活功能区和一个核定位信号。

2MDM2基因生物学功能

2.1MDM2与p53相互作用

MDM2是P53肿瘤抑制功能的主要调节者,两者之间存在自动调节的负反馈环,MDM2可通过与P53结合促进其降解。由诸多因素造成的MDM2-p53相互关系失衡所带来的直接后果就是导致p53的失活而引起肿瘤的发生[10]。MDM2主要通过三种途径抑制p53对细胞生长的抑制作用及诱导凋亡的能力:①直接抑制p53的转录,p53基因的MDM2结合区域与其转录激活功能区重叠,导致p53基因的转录激活区域不能与关键的转录相关蛋白结合。②通过与p53蛋白结合,将p53蛋白从胞核运输到胞浆,在胞浆中p53通过泛素-蛋白酶体通路降解。③MDM2蛋白具有p53特异性泛素蛋白连接酶(E3)的作用,可使p53蛋白发生泛素化而促进p53蛋白的降解。

2.2MDM2其他功能

近来的研究还发现了多种可被MDM2调节的蛋白,如:Numb、MTBP、肾上腺素能受体及其调节蛋白、糖皮质激素受体。

p21WAF1/CIP1基因的结构与功能

1p21WAF1/CIP1基因的正常结构

p21Waf1/Cip1基因(AF497972)位于染色体6q21.2区带,有三个外显子和两个内含子,编码区98%位于第二个外显子上,cDNA长约2.1kb,编码164个氨基酸残基的蛋白,分子量21Kd,根据p21Waf1/Cip1基因发现的不同途径,曾将其命名为CIPI、WAF1、SDI1、和CAP20。p21WAF1/CIP1基因与肿瘤的关系主要是与其他相关基因间的协同作用,在表达水平上,p21WAF1/CIP1基因存在p53依赖性和非p53依赖性两种途径。

2p21WAF1/CIP1基因生物学功能

2.1p53依赖途径

p53蛋白是p21WAF1/CIP1基因转录的重要激活剂,p53蛋白识别序列包括四个重复的5’-PuPuPuC(A/T)(T/A)GpyPyPy-3’结构。有研究显示,p21WAF1/CIP1基因是p53基因最重要的下游基因之一,p21WAF1/CIP1基因启动子上游-1.3及-2.2kb处包含p53蛋白识别序列,是p53蛋白与p21WAF1/CIP1基因启动子上游结合的两个特异性结合位点。另有研究发现在p21WAF1/CIP1基因启动子-4.5bp处还有一个p53蛋白识别序列,均可与p21WAF1/CIP1基因特异性结合,通过此途径调控细胞周期、DNA修复、细胞分化、细胞衰老以及细胞凋亡等重要的细胞活动,从而发挥重要作用。当机体细胞受损时,p53蛋白激活p21WAF1/CIP1基因转录并高表达,从而使细胞周期停滞与G1、G2或S期,DNA复制和有丝分裂受到抑制,使细胞有充分的时间进行复制。

如果修复不成功,p53蛋白介导其进入凋亡。反之,当p53蛋白失活时,p21WAF1/CIP1基因的表达下降或不表达,损伤的细胞不能阻滞于G1期,导致细胞的DNA发生错配,最终使细胞异化或恶变。当缺乏p21WAF1/CIP1基因的细胞DNA受损后,p53蛋白虽然被激活,细胞却不能发生周期阻滞。而且,当细胞DNA受损后,p21WAF1/CIP1基因和p53基因共同发挥着维持G2期核查细胞功能的监控作用。

2.2非p53依赖途径

p21WAF1/CIP1基因的生物学特性同样存在不依赖p53蛋白途径,在转基因小鼠体外细胞培养细胞中,发现了不伴有p53基因高表达的p21WAF1/CIP1基因高表达。证明除了依赖p53途径外,非依赖p53途径在p21WAF1/CIP1基因也起着至关重要作用。

p53信号转导通路的功能性遗传变异与肿瘤易感性

迄今为止,MDM2-p53-p21WAF1/CIP1信号通路中已有大量单核苷酸多态位点(singlenucleotidepolymorphisms,SNPs)被研究并报道。其中,p53基因codon72C>G、p21WAF1/CIP1基因codon31C>A与MDM2基因309T>G被认为与多种肿瘤发生、发展关系密切。

1p53codon72多态位点与肿瘤易感性

1.1p53codon72单核苷酸多态性

目前发现野生型p53基因至少存在10种不同形式的多态性。某些关键位点的突变可以直接造成细胞增殖异常,而在p53非热点区的突变便形成人群中的多态性。位于p53基因第1个外显子的第72位密码子存在C→G颠换,是单核苷酸多态位点(singlenucleotidepolymorphisms,SNPs,rs1042522),该变异使得氨基酸的种类从脯氨酸转变为精氨酸(Pro→Arg)。

1.2p53codon72多态性的生物学特性

研究者在研究正常细胞和转化细胞cDNA和基因组克隆多态性时发现由于精氨酸与脯氨酸两者结构不同,两种p53蛋白在聚丙烯酰胺凝胶电泳中的迁移率不同。用含可表达Arg型和Pro型p53蛋白相应质粒分别转化中发现Pro型的转录激活能力比Arg型高。Pim等研究显示含有Arg和Pro的两种p53蛋白空间构象、与p53抗体的结合表位差异均无统计学意义,在大多数细胞中二者的稳定性相同。但这两种蛋白的转录激活、抑制转化细胞和诱导细胞凋亡的能力不同,精氨酸型抑制转化细胞生长和诱导凋亡的能力较强。因此,脯氨酸(Pro)与精氨酸(Arg)结构不同,生化功能及生物学特性也各不相同。

1.3p53codon72多态性与肿瘤的关系

目前该位点被广泛关注,例如,Buyru等的研究结果表明,Arg/Arg基因型与土耳其人群乳腺癌发生有显著的关联性;Kawaguchi等在日本人群研究中发现,Arg/Arg基因型可增加HPV感染后食管癌的易感性;此外,Zehbe等和Jee等发现Arg/Arg基因型可显著增加HPV感染后宫颈癌的发病风险。而另一方面,Peller等在以色列人群研究该位点发现,Arg/Pro杂合基因型可显著增加卵巢癌的发病风险;Buller等的研究结果显示,Arg/Pro基因型在交界性卵巢癌中多见,与侵袭性卵巢癌密切相关。

另外,日本学者Garcia等发现在日本人群中,携带Pro/Pro者患乳腺癌的风险增加;张健慧等在研究中国北方食管鳞癌患者的结果显示携带Pro/Pro基因型是易患食管癌的独立危险因素。除上述发现p53condon72与肿瘤易感性相关的报道外,也有个别研究表明该多态位点与肿瘤的发生无关

2p21WAF1/CIP1codon31多态性位点与肿瘤易感性

2.1p21WAF1/CIP1codon31单核苷酸多态性

p21WAF1/CIP1基因多态性的研究中,几乎都有位于编码区第31位密码子(codon31)的报道。密码子在第三个碱基存在C→A的颠换,造成丝氨酸到精氨酸(Ser→Arg)的改变。Arg的频率在大的不同种族间差异很大,在高加索人群中,其频率变换从4%~19%不等,而在非洲和亚洲人群中,其频率变换范围是22%~55%。

2.2p21WAF1/CIP1codon31多态性的生物学特性

对p21WAF1/CIP1codon31多态性Su等研究报道co-don31可能改变p21WAF1/CIP1基因mRNA的表达,但不影响蛋白的功能的活性。另有学者认为p21WAF1/CIP1codon31是该基因在编码区发现的唯一多态位点,如果此位点的多态性发生改变,其原有的G1期监控作用和结合PCNA、抑制细胞增殖的功能可能丧失,使DNA受损的细胞得以通过G1期,增殖为肿瘤细胞。p21WAF1/CIP1codon31基因的突变、重排或缺失均可导致肿瘤的产生。产生这种不同结论的原因可能是样本量不足或是在单一研究中采用了不同种族造成。

2.3p21WAF1/CIP1codon31多态性与肿瘤的关系Harima等在对宫颈癌患者检测p21WAF1/CIP1codon31多态性的结果显示p21WAF1/CIP1基因Arg/Arg型可能和日本妇女宫颈癌的发生密切相关;Facher等报道该多态性增加前列腺癌易感性;Hachiya等报道31位密码子的Arg等位基因与未分化的晚期子宫内膜癌的发展相关。然而,Chen等发现Ser/Arg基因型可增加浸润性膀胱癌的易感性。Yang等研究宁夏汉族食管癌人群中,发现Ser/Ser基因型单独或与IVS2+16和SNP309两多态位点共同作用均可增加食管癌的易感性。

3MDM2SNP309多态性位点与肿瘤易感性

3.1MDM2SNP309单核苷酸多态性

BondGL等于2004年首先发现MDM2基因内存在一些多态性位点,其中在MDM2启动子区存在着T-309G,即G/G、T/T和G/T三种基因型。

3.2MDM2SNP309多态性的生物学特性

与野生型SNP309T/T相比,G/G基因型可明显提高MDM2与转录激活因子SP1的亲合力,导致MDM2的转录和蛋白表达水平增高,直接抑制p53,削弱其的肿瘤抑制作用。研究表明,在SNP309G/G基因型细胞中,在DNA损伤后应答由p53调节mRNA水平较基因型T/T低。DNA遭受损伤后,p53蛋白水平的提高程度受限于MDM2蛋白的调控,因而在接受到应激信号后,p53的蛋白在T/T细胞中的水平会显著升高。

3.3MDM2SNP309多态性与肿瘤的关系

自BondGL等人报道了MDM2SNP309G等位基因的存在可使MDM2蛋白表达增高,抑制p53对DNA损伤的修复作用,与多种人类肿瘤的形成相关后,引发了对MDM2SNP309位点一系列的研究[45-50]。Ma等发现SNP309G/G、G/T和T/T基因型频率在乳癌与正常对照组的分布存在显著性差异。Campbell等研究认为SNP309G/G基因型可增加韩国人群肺腺癌和日本乙肝病毒携带者患肝细胞癌的发病风险;BondGL等报道在患Li-Fraumeni综合征的个体中,SNP309G/G基因型可增加患多种肿瘤的机率;BougeardG等认为该位点与乳腺癌、卵巢癌、大肠癌等多种肿瘤的发病相关。不过,在对改点的研究中,亦有对该位点与肿瘤无关的报道。

综上所述,对于p53信号通路上的三个位点:p53基因codon72C>G、p21WAF1/CIP1基因codon31C>A与MDM2基因309T>G与肿瘤易感性的研究结果中,我们确实发现这些多态性与很多肿瘤的易感性相关,同时,也注意到,这些多态性与不同人种的同一肿瘤发生相关的基因型有所不同,这很可能是不同人种遗传背景不同所致。而对于一些在同一人种相同肿瘤的关联研究,结果却不尽相同,就不能排除研究样本数量不同或在单一研究中采用了不同种族这些重要因素。因此在群体遗传中,如何尽量扩大研究人群的样本并保证其种族的单纯性,同时采用客观、可行度高的检测与统计方法,是许多研究者面临要克服的难题。

总之,随着人们对p53基因信号通路与肿瘤发生机制研究的深入,尤其是综合探究信号通路中关键基因多态位点与肿瘤发生、分期及预后转归的相关性,将极有助于揭示肿瘤病因,并为特异性肿瘤标志物的产生提供实证,从而也为肿瘤的早期诊断及临床特异性的治疗奠定坚实可靠的基础。已有的研究表明某些基因突变或功能缺失和肿瘤等多种疾病的发生、发展有关,p53信号通路中存在大量多态位点,其意义及其与疾病存在的关联性值得进一步研究。

p53基因通道与肿瘤学的探讨

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