p53与线粒体的关系

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文章编号: 1000-1336(2010)03-0354-06
p53与线粒体的关系
苏玉慧 漆正堂 丁树哲
华东师范大学体育与健康学院,上海 200241
摘要:自从有研究发现p53可以直接介导Bax导致线粒体膜通透性改变和细胞凋亡后,p53与线粒体的关系也越来越受到重视。

本文主要从p53诱导细胞凋亡的非转录依赖的线粒体途径;p53对线粒体内能量代谢的调控;以及p53对线粒体内的mtDNA稳态、生物发生和活性氧类稳态的调控三大方面进行了综述,以期对线粒体代谢紊乱引起的一些疾病治疗提供些许帮助。

关键词:p53;线粒体;细胞凋亡;能量代谢;稳态中图分类号:Q44
收稿日期:2009-07-02
国家自然科学基金(30871212)项目资助
作者简介:苏玉慧(1986-),女,硕士生, E-mail:3suyuhui9@163.com;漆正堂(1979-),男,博士后,E-mail:qzht79@163.com;丁树哲(1963-),男,博士,教授,博士生导师,通讯作者,E-mail: szding@tyxx.ecnu.edu.cn
线粒体是大部分细胞通过氧化磷酸化合成ATP的主要场所,它与很多代谢:例如核苷酸前体生物合成、细胞凋亡等有密切的关系。

此外,动物线粒体有自己的基因(mtDNA),可以编码呼吸链复合物亚基,线粒体的基因表达异常时,会引起很多代谢紊乱症,例如糖尿病等。

因此,研究清楚线粒体在机体中的作用显得尤其重要。

近年来,越来越多的研究发现p53与线粒体有很密切的关系,本文将目前有关的研究结果作-一综述。

1. p53概述
最先发现于1979年的致癌基因p53 是一个在癌细胞内变异了的肿瘤抑制基因,并且具有潜在的转录因子功能,p53结合在肌酸激酶(creatine kinase, CK)基因启动子区域的一段特异DNA序列上,野生型p53可以引起CK基因的表达上调。

p53由393个氨基酸组成,含四个主要区域:转录激活区、DNA结合区、低聚反应区和基础区(basicarea)。

N末端包含转录激活区,被划分成三部分:AD1(残基1 ̄42)、AD2(残基43 ̄63)和脯氨酸富含区(残基64 ̄97)。

AD1和AD2区对p53的调节非常关键,因
为它们是许多p53调节蛋白的作用位点,比如鼠双小蛋白2 (murine double minute 2, MDM2)、乙酰基转移酶P300和CREB结合蛋白(CBP)[1,2]。

脯氨酸富含区包含5个PXXP重复模体。

有研究发现脯氨酸富含区与细胞的生长抑制和凋亡有一定关系[3]。

Bergaschi等[4]发现 p53凋亡刺激蛋白质家族的抑制性因子(inhibitory member of the apoptosis-stimulating protein ofp53,iASPP)通过脯氨酸富含区与p53起作用。

也有研究显示DNA损伤时p53的脯氨酸富含区会激活核基质内的肌动蛋白表达[5]。

DNA结合区(残基102 ̄292)必须与Zn2+结合才能使蛋白质正确折叠,并特异性结合靶基因中的DNA结合元件,激活靶基因的转录。

通过DNA结合区与p53起作用的两种蛋白质是:p53的凋亡刺激蛋白质 (ASPP)和p53的同分异构体p63和p73[6,7]。

C末端含有低聚反应区和基础区。

低聚反应区(残基323 ̄356)使p53经翻译二聚化,然后再自聚成四聚体[8],该区还含有一个核输出信号(nuclear export signal, NES)。

基础区(残基363 ̄393)位于C末端,含有两个核定位信号(nuclear localizationsignal, NLS)和另一个自调节区。

低聚反应区和C末端调节区在DNA损伤时,补充其他蛋白质到损伤部位,提供DNA损伤信号。

2. p53通过非转录依赖的线粒体途径诱导细胞凋亡
诱导肿瘤细胞凋亡是p53发挥抗肿瘤作用的一
个重要方面。

许多凋亡诱导剂均能激活p53,从而诱导多种与凋亡相关的蛋白质表达[9]。

p53诱导细胞凋亡的非转录依赖途径最早在一种表达温度敏感的p53-Val135的突变细胞中发现。

当DNA损伤后,经抑制基因转录或蛋白质合成抑制物处理,p53的靶基因的转录上调消失,而细胞的凋亡仍然发生。

Marchenko等[10]首次通过免疫电镜、激光共聚焦显微镜等方法证明,在人类ML-1、RKO等肿瘤细胞系和人类正常细胞系IMR90、MRC5,小鼠32D、Baf3等中,DNA的损伤与缺氧刺激会导致内源性p53的线粒体转位,且这种现象只存在于发生凋亡的细胞中,而在其他情况下,如p53依赖的细胞周期阻滞中未观察到此现象。

用TUNEL法发现,连接有线粒体定位信号(mitochondrial localization signal, MLS)的p53融合蛋白(Lp53wt)比野生型蛋白质更能有效地诱导细胞凋亡。

在无细胞核的体系中,从胞浆部分提取的p53能直接激活线粒体。

Talos等[11]分别用带有GFP荧光标记的羧基端连接有Bc1-2跨膜序列的p53(p53CTM)、Bc1-xl跨膜序列的p53(p53CTB)转染淋巴瘤小鼠的肿瘤细胞,并将转染后的细胞注射到同系小鼠体内,发现转染p53CTB或p53CTM的肿瘤细胞内的p53在转录功能缺失的情况下,能通过激活线粒体介导的凋亡而抑制肿瘤的生长。

许多实验表明在各种凋亡刺激下,p53非转录依赖促凋亡的功能主要通过线粒体途径发挥作用,其过程主要是:激活的p53快速转位到线粒体,与位于线粒体膜上的Bcl家族成员相互作用,从而改变线粒体外膜的通透性,使线粒体内的一些促凋亡蛋白(如细胞色素C、AIF、Smac、HTRA2等)释放入胞浆,激活胞浆中的效应分子,如胱天蛋白酶(caspase),从而诱导凋亡。

虽然p53缺乏经典的线粒体定位序列,但是p53的线粒体转位在很多细胞中普遍存在,出现在凋亡发生的早期,并且发生在p53发挥转录活性之前[12]。

因此p53线粒体转位是一种广泛存在的不依赖p53转录功能的现象。

p53转位到线粒体后除与外膜的Bc1-2家族蛋白相互作用外,还作用于线粒体氧化还原体系,从而影响细胞对凋亡刺激的反应。

胞浆中的p53主要通过与Bc1-2家族蛋白作用发挥促凋亡的功能。

Bc1-2家族蛋白由一类序列高度同源的蛋白质组成,可分为抗凋亡成员(Bc1-2、Bc1-xL、Mc1-1等)和促凋亡成员(Bax、Bak、puma、Noxa、Bim等)[13]。

其中Bak在正常细胞中表达,但因与Mc1-1形成复合体使促凋亡的功能受到抑制。

细胞接受凋亡刺激后,胞内p53含量增加,进入胞浆后与Mc1-1竞争结合Bak,引起Bak寡聚化。

同样p53与Bax相互作用后能使Bax从Bax\Bc1-xL复合体中释放出来引起Bax蛋白的寡聚化。

Bax和Bak的寡聚化能增加线粒体外膜通透性,最终激活线粒体介导的细胞凋亡。

Jiang等[14]研究证实,在胞浆中存在Bad/p53复合体,通过激活Bak的寡聚化,最终激活线粒体介导的细胞凋亡。

以上实验表明,p53能通过结合抗凋亡蛋白而使其释放原本结合的促凋亡蛋白,发挥间接的促凋亡功能。

除此之外,Chipuk等[15]将纯化的p53与Bax和纯化的线粒体一起孵育发现,在没有其他蛋白质存在的前提下,p53能直接诱导Bax的寡聚化继而引起线粒体膜通透性的改变,从而表明p53能直接或间接地作用于Bax和Bak等蛋白质,发挥其非转录依赖的促凋亡作用。

3. p53与线粒体能量代谢
p53是平衡有氧代谢与糖酵解的一种极其重要的物质[16],p53的缺失会引起氧消耗下降,有氧呼吸减弱而糖酵解加强。

SCO2(细胞色素C氧化酶复合物的关键调节亚基)是第一个被确定的p53转录调控能量代谢的靶基因,p53通过调控SCO2的表达直接调控线粒体有氧呼吸(图1)。

SCO2是合成细胞色素C氧化酶(COX)所必需的一个编码铜结合蛋白的核基因,人类SCO2基因位于染色体22q13,包含两个外显子和一个内含子,全长为918 nt,mDNA编码的COXII亚基组装为COX复合物必需SCO2基因,人类SCO2基因的失活或突变会导致由有氧呼吸障碍而引起的致命性心肌炎。

p53在核内转录激活SCO2,使其移位到线粒体内膜合成电子传递链上的COX复合物。

当p53基因敲除时,SCO2蛋白水平会下降,引起COX缺乏而减少细胞色素C生成,降低膜电位和ATP的生成,进而影响了线粒体能量的产生。

当细胞内p53基因敲除时,能量的生成会从有氧呼吸向糖酵解转变。

Matoba等[17]发现细胞内p53的缺失会导致SCO2的蛋白质水平降低,氧消耗剂量依赖性减少,线粒体呼吸强度降低。

同时,乳酸水平增加,总ATP产量并没改变,表明糖酵解补偿了有氧氧化的损失。

但是,Bensaad等[18]发现了一种叫做TP诱导糖酵解和凋亡调节因子(TP53-induced gly-
colysis and apoptosis-regulator, TIGAR)的p53诱导因子。

TIGAR是脊椎动物从鱼到人高度保守的蛋白质,具有磷酸酶的活性,决定了果糖-2,6-二磷酸酶(Fru-2,6-P2)的分子水平,TIGAR的表达使果糖-2,6-二磷酸去磷酸化变成果糖-6-磷酸,降低了细胞中果糖-2,6-二磷酸的水平,Fru-2,6-P2在糖酵解的第三步可以激活6-磷酸果糖-1-激酶将果糖-6-磷酸转换为果糖-1,6-二磷酸,从而加速糖酵解(图1)。

当p53缺失时,TIGAR的表达降低,从而引起Fru-2,6-P2水平下降并阻断糖酵解过程。

最近也有研究发现,p53的失活导致TIGAR的表达下降,增加了HK2和磷酸甘油酸变位酶(phosphoglycerate mutase, PGM),从而增强糖酵解(图1)。

因此,p53平衡有氧呼吸和糖酵解是多因素的,也可能包含p53非转录依赖性通路以及mTOR和AMPK的代谢调控的网络。

Olovnikov等[19]研究发现,p53可以上调AMPK的β亚基的表达,还可以降低mTOR激酶的活性,而mTOR和AMPK则是细胞能量代谢水平的重要调节因子。

总之,p53在调节线粒体能量代谢方面具有非常重要的意义。

4. p53与线粒体稳态4.1 p53与mtDNA数目
人体大多数组织细胞内的mtDNA是由成千上万个大小为16.5 kDa的环形分子连接而成。

mtDNA为母系遗传,编码37个与氧化磷酸化有关的基因,其中包括四个氧化磷酸酶的13个核心亚基,线粒体
核糖体的2个rRNA亚基以及22个具体细胞器的tRNA等,因此对生物体生长和各生物功能维持起着重要的作用[20]。

如果mtDNA 的突变发生在呼吸链复合物的基因编码区,会影响个别氧化磷酸化酶的表达和功能;如果发生在tRNA、rRNA或者基因转录和复制的非编码控制区,则可以影响整个氧化磷酸化系统。

最近研究已证实,许多致病性的mtDNA突变会导致母性遗传疾病的发生。

Lebedeva等[21]研究发现,大鼠和人类细胞中的肿瘤抑制因子p53缺失或水平下降时,mtDNA的含量下降,并且伴随线粒体数目的减少。

由于两者变化幅度不同,表明mtDNA的复制数目和线粒体生物合成并不是紧密相关。

mtDNA减少的量一般都比线粒体数目减少得多,这表明p53在维持mtDNA方面具有很重要的作用。

线粒体数目的减少并没有代偿性地增加线粒体膜电位,表明在p53缺乏的细胞内,整个线粒体的氧化能力都有所下降。

Matoba等[17]也发现p53缺失后会降低细胞的呼吸功能。

Shadel等[20]究发现,p53依赖的mtDNA减少伴随着两个重要因子(mtTFA和p53R2)含量的下降。

mtTFA(mitochondrialtranscription and mtDNA-packaging factor)和p53R2(p53-regulated subunit of RNR)是维持mtDNA复制的两个重要因子。

当p53水平下调时,线粒体内和整个细胞内的超氧化物的水平都显著下降,而细胞内H2O2的含量增加。

这表明p53还可以调节细胞内活性氧
图1 p53调节线粒体呼吸和糖酵解
[16]
的稳态。

但是这些研究都是在没有变异的细胞或没有DNA损伤的情况下进行的,表明了mtDNA的缺失或线粒体活性氧的稳态受干扰可能是p53缺失引起癌症的新的潜在因素。

mtDNA的缺失伴随p53的缺失的具体机制很重要,目前至少有3种合理解释。

第一,p53R2表达的下降可能部分引起了mtDNA的缺失,它是DNA损伤时p53的一个直接转录靶基因,该基因的突变会引起人类和大鼠mtDNA的缺失[22]。

Lebedeva等[21]研究发现,p53R2在mtDNA转录和蛋白质水平上都出现下调,表明p53R2是DNA损伤时p53的一个转录靶基因。

p53R2表达的下降可能造成RNR的R1-p53R2复合物的含量下降(图2),进而会造成mtDNA的缺失。

R1-p53R2复合物可以为mtDNA复制和修复提供dNTPs酶[23]。

第二,在p53缺失时,mtTFA的下调会引起mtDNA的缺失(图2)。

但许多研究者发现更可能是由于mtDNA水平的下降引起了mtTFA水平的降解。

由于p53生理上可以定位于线粒体上,因此细胞内p53的丢失很可能引起mtDNA的缺失。

第三,p53在线粒体内作为一个转录因子,它的缺失会引起转录过程中起主要作用的mtDNA复制数目的减少。

但线粒体中的p53是一个单体,不是典型的转录模型。

因此要解释p53缺乏引起mtDNA缺失的主要原因还有待于进一步研究。

4.2 p53与线粒体内活性氧类的稳态
p53的缺失会引起线粒体内超氧化物含量的下降。

这可能是通过调节线粒体内活性氧类(ROS)的产生速率或者扰乱正常的氧化和抗氧化反应来实现的。

p53的抗氧化功能主要从以下两方面调节:一是作为抗氧化蛋白sestrin重新生成氧化型过氧化物酶[24],另一个是将葡萄糖代谢转移到磷酸戊糖途径(PPP)生成许多抗氧化酶的辅酶NADPH[18],并使细胞内活性氧类总体水平下降(图1)。

PPP是NADPH产生的主要途径,它对于还原型谷胱甘肽(GSH)清除ROS是非常必要的,有研究者为了验证PPP代谢路径和TIGAR之间的关系,用一种特异的葡萄糖-6-磷酸脱氢酶的抑制剂处理细胞,发现PPP的抑制阻止了TIGAR 的抗凋亡活性。

TIGAR表达增加了GSH/GSSG比率,而内源性TIGAR表达降低使GSH/GSSG比率降低[11]。

总的来看,TIGAR表达能调控细胞内ROS水平,TIGAR抑制糖酵解与ROS水平下降相对应,可使细胞减轻氧化应激,避免凋亡。

在一定范围内这与p53的促凋亡作用抗衡,TIGAR因此可以缓冲p53对凋亡信号的应答,从而使细胞在温和或可逆转、可修复的瞬间压力信号时能存活。

这是p53信号稳态的一种表现。

此外,TIGAR导致细胞内ROS水平降低,还可能介导p53对基因组的保护作用。

另外,位于线粒体内的MnSOD催化超氧阴离子转化为H2O2,其活性也受p53的影响。

p53结合MnSOD会降低此酶的活性[12]。

p53缺失引起的MnSOD活性的增加可能会增加H2O2的水平,而由p53调节的抗氧化蛋白sestrin下调也会一起增加H2O2的水平,使其量达到最高峰。

这个推测可用来解释在人类多数细胞内p53基因表达静息时,会出现高水平的H2O2的现象。

总之,p53在维持活性氧的稳态方面起着重要的作用,但不同种类、不同位置的活性氧受到的影响不同。

除了上述描述的抗氧化系统的不平衡外,还有报道认为,在p53缺失的细胞内氧化磷酸化过程中电子传递稳态的下降也可能是由线粒体活性氧的下降引起的[17]。

事实上,可能是这两个因素一起调节
细胞内活性氧的稳态。

此外,Kulawiec等[25]研究发现,p53诱导的活性氧的改变可能作为一种主要的信号分子来激活线粒体防御反应,从而调节线粒体内的氧化稳态,因此p53也可以说是一种线粒体的防御蛋白。

图2 p53通过在细胞核和线粒体内的一些作用来维持
mtDNA的复制数目
作为细胞核内一个转录因子,p53缺失时会引起p53R2表达的下降,从而引起mtDNA的减少。

p53在线粒体内缺失时,引起mtTFA下调,引起mtDNA
的减少。

5. 结语
综上所述,p53与线粒体的关系是多方面的,包括p53介导的线粒体依赖的细胞促凋亡,p53对线粒体内能量代谢的调控,以及对线粒体内的mtDNA稳态、生物发生和ROS稳态的调控,等等。

总之,p53在线粒体内具有很重要的作用,研究清楚两者的关系有望通过对p53的调节来治疗线粒体代谢紊乱引起的各种疾病。

参 考 文 献
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The relationship between p53 and mitochondrial
Y u-Hui Su, Zheng-Tang Qi, Shu-Zhe Ding
College of Physical Education and Health, East China Normal University, Shanghai 200241, China
Abstract Since one research showed that p53 could change mitochondrial membrane permeability and cause cell apoptosis mediated by bax, the relationship between p53 and mitochondrial has been paid more and more attentions. This paper summarizes on three aspects: non-transcription-dependent mitochondrial pathway of p53-induced apoptosis, regulation and control of p53 on mitochondrial energy metabolism, as well as the regulation of p53 on mtDNA copy number, mitochondrial biogenesis, and ROS steady state. It may help to cure the diseases caused by mitochondrial metabolism dysfunction.
Key words p53; mitochondrial; apoptosis; energy metabolism; steady state。

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