TP53基因含有一个使其超越肿瘤抑制因子功能的多样性盒
摘要
p53蛋白作为一个转录因子，其经典角色是肿瘤抑制因子，超过50%的人类癌症通过突变或其它机制使其失活，这凸显了p53作为细胞转化屏障的核心地位。然而，TP53基因的一个引人注目的特征在于其外显子2至外显子5之间长约1200个碱基对的区域内，密集分布着多个调控结构。这个区域被称为“多样性盒”，它包含了一系列复杂的调控信号，精确控制着p53抑制功能的激活选择性与细胞命运特异性。
TP53基因中的功能信息含量
人类基因组编码约25,000个蛋白质编码基因。其中，TP53基因的研究揭示了其功能的惊人复杂性。该基因能表达12种剪接变异体和异构体蛋白，蛋白质可形成单体、二聚体和四聚体。人类TP53基因包含14个已知表型的多态性位点。这些异构体、寡聚体和多态性的组合混合，产生了高达315种不同的可能蛋白质组合。尤为关键的是，这种多样性的大部分存在于TP53基因全长20,000个碱基对中的1200个碱基对区域内。
全长TP53基因的经典功能
TP53基因是一种肿瘤抑制基因，其编码的全长p53蛋白是一种转录因子。该蛋白能响应广泛的代谢和基因毒性应激，仲裁细胞命运决策，包括清除带有遗传改变的细胞，或修复缺陷并恢复稳态，从而允许细胞的忠实复制。p53功能被破坏是大多数癌症的共同特征，这确立了其在肿瘤发生中的关键屏障作用。
p53蛋白的关键功能特性是其对各种应激具有极高的诱导性，从而转录出特定、情境依赖的p53调控基因。面对应激，p53经历多种翻译后修饰，使其能够逃避MDM2泛素连接酶诱导的蛋白酶体降解，并以转录活性形式积累。激活后，p53转录因子在截然不同的命运之间做出选择，要么清除含有潜在致癌性损伤的细胞，要么促进损伤修复和稳态恢复。这种选择取决于涉及不同细胞通路的p53调控基因集合的转录。其内在变异性的一个重要来源是TP53基因能够表达多种转录本和蛋白质异构体。这些复杂的表达模式产生了多种蛋白质异构体，它们因N端或C端部分长度不同而有所差异，但保留了包含大部分DNA结合域和寡聚化结构域的共同区段。
p53蛋白结构域
人类TP53基因位于17号染色体短臂上，覆盖约20kb，包含11个外显子。其产物——由TAp53α mRNA合成的393个氨基酸蛋白质——构成了p53蛋白的主要、规范形式。该蛋白通常分为五个结构域，它们是独立的结构和功能单元：
- 1.
第一结构域：编码两个转录互作域TAD1和TAD2。
- 2.
第二结构域：位于第55-100位氨基酸之间，称为富含脯氨酸的结构域，包含关键的蛋白质互作位点，包括MDM2的一个结合位点。
- 3.
第三结构域：DNA结合域，可识别基因组中一组简并的DNA序列。
- 4.
第四结构域：称为四聚化域，由第319至353位氨基酸构成。
- 5.
第五结构域：从第353位到393位氨基酸的调控域，具有高度碱性，其上的赖氨酸修饰可以调控转录因子的DNA结合和活性。
p53 Delta异构体
至少有12种不同的TP53 mRNA变异体和异构体。这些变异体和异构体可分为两类：N端异构体和C端异构体。N端异构体，如Δ40p53α和Δ133p53α，缺失了TAD1、TAD2等N端结构域，通过多种机制产生。例如，Δ133p53α缺失了p53蛋白的前132个氨基酸，由一个位于内含子2到外显子5序列内的独立内部DNA启动子转录。这些异构体可以通过与TAp53α相互作用来调节其活性，或独立发挥作用，从而扩展p53的功能谱系。研究表明，Δ40p53α和Δ133p53α在调控细胞命运决策，如衰老、DNA损伤修复和细胞代谢功能等方面发挥着独特而关键的作用。
p53多样性盒
位于TP53基因外显子2至外显子5之间长约1200个碱基对的“多样性盒”区域，密集集成了多种基因调控信号和多态性，共同调控着不同p53蛋白异构体的表达和功能。这个区域包含多个翻译后修饰位点、调控Δ40p53和Δ133p53选择性表达的关键元件，以及频繁的多态性位点。其中，密码子72的精氨酸/脯氨酸多态性影响p53与MDM2的结合亲和力，进而影响细胞应激后的命运选择，如细胞周期阻滞与凋亡的偏好。该区域的多个单核苷酸多态性（SNP）之间存在显著的连锁不平衡，形成了独特的单倍型，这些单倍型在不同祖先来源的人群中存在差异，暗示了遗传变异在适应性进化中的作用。
多样性盒调控的细胞命运抉择
多样性盒作为一个协调单元如何运作，在很大程度上仍不清楚。考虑到其每个组成部分都有潜力调节p53的反应谱系，我们推测多样性盒可能在决定p53介导细胞死亡的六种不同方式中扮演着核心决策角色。不同的细胞死亡方式可能以不同的方式与免疫系统相互作用，影响抗原呈递、炎症反应和免疫耐受。p53异构体的细胞和组织特异性水平可能对p53激活的转录结果和特定抑制通路的情境依赖性选择产生强烈影响。多样性盒的特征可能通过决定可用活性TAp53α的数量、其功能特性以及TAp53α运作所在的蛋白质异构体网络的组成来影响这一决策过程。一些研究证据支持了这一假设，发现多样性盒内的特定SNP组合与癌症风险增加、患者生存期缩短以及肿瘤促进性炎症相关。
多样性盒变异与李-佛美尼综合征
李-佛美尼综合征是一种由种系TP53致病性变异引起的常染色体显性癌症易感综合征。有证据表明，多样性盒内的变异可能影响该综合征的发病风险和首次癌症发病年龄。研究发现，携带rs1042522 G等位基因（编码p.R72）和MDM-2基因中SNP309的个体，其肿瘤发生的平均年龄显著早于携带C等位基因（编码p.P72）的个体。这提示，种系变异的功能后果可能取决于携带该变异的具体单倍型的特征。在携带同一创始人突变p.R337H的巴西李-佛美尼综合征患者队列中，癌症表型表现出极大的异质性，支持了野生型等位基因上的多态性决定了这些表型的观点。
结论
虽然我们尚不清楚在拥有非洲、欧洲、亚洲和南美洲祖先的众多不同人群中存在多少种不同的TP53单倍型，但我们知道这些多样化的单倍型很可能在这些人群中产生多种不同的表型。多样性盒中的单倍型具有以下特性：1. 根据其所处的细胞类型调控野生型全长p53蛋白的水平；2. 调控所在细胞类型中观察到的剪接模式。这两个变量进而可能影响细胞分裂速率、TP53 DNA结合域的自发突变频率以及群体中突变克隆的选择。不同单倍型可能对人群的癌症易感性产生影响。例如，在同等人口规模下，具有非洲血统的个体一生中患多发性骨髓瘤的数量是欧洲血统个体的两倍多。
我们可以量化TP53基因为生物体贡献了多少信息吗？信息来源于：1. p53蛋白的全长序列。2. TP53基因mRNA的12种不同剪接形式产生的12种蛋白质异构体。3. 多样性盒中影响p53蛋白编码区的4个多态性和内含子中的7个多态性，以及通过连锁不平衡与多样性盒内多态性相互作用的内含子9中的3个额外多态性，这些共同调控异构体的产生。4. 不同的异构体和全长p53蛋白可以形成单体、二聚体和四聚体。全长p53和各种剪接形式的二聚体可以组合形成混合四聚体，这些混合四聚体拥有不同于全长p53四聚体的独特转录谱。5. 此外，Δ40或Δ133异构体还可能与其他p53家族成员如p63或p73的二聚体相互作用。综合这些因素，保守估计该基因至少可以产生315种不同的序列和蛋白质复合物组合。这还不包括p53异构体与p63或p73配对的情况，也未考虑连锁不平衡对可能组合数量的限制。因此，TP53基因的“多样性盒”是一个信息高度集中的调控枢纽，赋予了p53蛋白应对复杂细胞内外信号、做出精准命运决策的非凡能力，使其功能远远超越了单纯的“基因组卫士”。
