癌症生物学的那些事IV：p53传奇 精选

已有 2793 次阅读 2020-8-1 22:33 |系统分类:科研笔记

该聊聊肿瘤抑制基因了。

我印象最深的肿瘤抑制基因有三个：VHL，Rb和TP53。VHL排第一是因为我曾经研究了它四年。当然，VHL本身也有其独特之处，它不仅是一个抑瘤基因，同时也是细胞内氧的感知因子，作出这一发现的三位科学家因此获得2019年诺贝尔生理和医学奖。Rb是第一个被鉴定的肿瘤抑制基因，Alfred Knudson在研究它的基础上提出了肿瘤抑制基因失活的“二次打击”理论。作为分子警察，TP53的影响更加广泛，超过半数的肿瘤都有TP53的突变，当选了1993年科学杂志的年度分子。

肿瘤抑制基因的存在最初是Henry Harry在1969年通过细胞融合实验推测的。将一个肿瘤细胞和正常细胞融合后，肿瘤细胞的致瘤性消失了，说明正常细胞内存在抑制肿瘤形成的因子，这些因子在肿瘤细胞中消失或者失活了。大多数肿瘤抑制因子是通过基因连锁定位发现的。不少肿瘤有家族遗传倾向，这些家族的肿瘤患者的染色体经常有大片段的丢失，为寻找肿瘤抑制基因提供了初步的线索。VHL, Rb, APC, BRCA1/2等等都是通过这种方法发现和鉴定的，尽管每个过程都是繁琐和复杂的。

然而，p53基因的发现和它们不同。与癌基因和原癌基因一样，p53基因是肿瘤病毒研究的产物，有趣的是p53基因还一度被认为也是一个癌基因。

从癌基因到肿瘤抑制基因

RNA肿瘤病毒能诱发肿瘤生长要么是因为它的基因组中含有癌基因，要么是它和宿主基因组重组过程中唤醒了宿主基因组中的原癌基因和/或破坏了肿瘤抑制基因的表达。与RNA肿瘤病毒这种直接粗暴的行为相比，DNA肿瘤病毒显得更加工于心计，它所算计的就是肿瘤抑制因子。例如，SV40和 Adenovirus都编码蛋白结合（色诱）和抑制pRb和p53，而HPV不仅编码E7色诱pRb，还编码 E6让p53直接消失（降解）。这样看来，RNA肿瘤病毒是明的冲入敌阵大砍大杀，而DNA肿瘤病毒更像是老谋深算的精于针对安保维稳人员的特工。

这当然都是事后诸葛亮式的总结，最初人们并不认为p53是安保维稳人员。

1979年，来自世界各地的六个实验室报告了一个类似的结果，用来源于SV40致瘤动物的血清在免疫沉淀SV40大T抗原的同时，还可以将一个分子量大概是53KDa的非病毒蛋白沉淀下来；而且，用非病毒致瘤动物的血清同样可以免疫沉淀这个53KDa蛋白，说明它确实是一个细胞来源的蛋白。有趣的是，这个53KDa蛋白在很多肿瘤细胞中高度表达，而在正常细胞中几乎检测不到。因此，这个从此被命名为p53的蛋白完美地具备成为癌基因产物的特点：在正常细胞中不表达或表达很低，在肿瘤细胞中高表达，且表达受致瘤病毒调控。

为了肯定p53蛋白是一个癌蛋白，接下来的必须工作就是将它的基因克隆出来。在上个世纪八十年代早期，基因克隆并不是一件易事，但是科学家们还是在较短的时间里完成了这一任务。成功的小窍门在于科学家们使用了p53表达比较高的肿瘤细胞而不是p53表达低的正常细胞，这在当时也是可以理解的。

使用这些肿瘤来源的p53基因，科学家们在各种实验模式中验证了他们心目中已有的结论：p53蛋白的高表达可以将正常细胞永生化，和Ras等其它癌基因一起可以致瘤。这样的研究顺理成章，波澜不惊，如果果真如此，怎么可能让p53成为1993年科学杂志的年度分子？

事实上，不符合预计的报告也存在，只是大家总有各种各样的解释让它们不受重视。1984年有报告说在逆转录病毒AML转化的小鼠细胞中，AML的插入使小鼠p53基因表达失活；而在人白血病细胞系HL-60中，p53基因实际上发生了大范围的重排，根本不表达p53蛋白。当时人们普遍认为这些只是特例而已了，对大多数肿瘤来说，p53应该是一个癌蛋白。

奇迹发生在1988和1989年野生型小鼠和人p53基因先后从正常细胞成功克隆之后。人们发现之前从肿瘤细胞中克隆出来的p53基因都含有突变，而正是这些突变克隆具有细胞转化功能。更为有趣的是，当科学家比较之前得到的各种p53基因顺序，发现没有一个和其它完全一样。

是时候问问野生型p53和肿瘤有什么关系了。

和以前的研究结果迥然相反，野生型p53和Ras等其它癌基因一起并不可以致瘤，高度表达野生型p53甚至还显著抑制一些癌基因的促癌作用。和以前结果不矛盾的是， p53基因在肿瘤细胞中存在包括片段丢失/插入，重组和点突变在内的各种突变，这些突变有的造成p53蛋白不表达，有的反而使p53蛋白（突变型）稳定高表达。此后，在患有Li-Fraumeni综合征家族成员生殖细胞上发现了p53基因突变，很多家族成员很年轻时就被发现患有包括乳腺癌，肉瘤在内的各种恶性肿瘤。在小鼠p53基因敲除模型上发现小鼠出生时一切正常，但很快很多小鼠因淋巴瘤死亡。毫无疑问，这些实验结果清楚表明野生型p53实际上是一个肿瘤抑制基因。

MDM2/ p53应急响应中心

没有一个肿瘤抑制基因的本职工作是抑制肿瘤形成的，专门和肿瘤细胞过不去的是一些免疫细胞。但如果肿瘤抑制基因没法做好本职工作，免疫细胞又忙不过来的话，肿瘤就慢慢成气候了。

p53蛋白在生物化学上归类为转录因子，它控制着很多基因的转录表达。它的这些下游基因功能广泛，维持细胞生命活动的方方面面，例如细胞周期，干细胞分化，能量代谢，DNA损伤修复，氧自由基应激，线粒体自噬和衰老等。除此之外，p53在细胞不可救药的情况下具备启动自杀程序的能力，一旦这一能力丧失，不可救药的坏细胞就会蜕变为肿瘤细胞。

能力越大越低调，承担安保维稳重任的p53更需如此。在细胞生命活动正常运转情况下，p53几乎不表达，实验证实在正常情况下高表达p53只会引起细胞凋亡。p53只在应激状态下出现，一旦出现DNA损伤，代谢异常，缺氧，端粒损耗和老化等情况，p53表达立即升高。表达升高的p53蛋白一方面通过蛋白-蛋白反应立即响应应激状况，一方面启动下游基因的转录表达为应对应激状态提供更多的兵员。而有些应激状态，如炎症，细菌和病毒感染，甚至心理压力和慢性衰老，都可以抑制p53的表达，使得细胞在第一时间就没有招架能力。

p53在正常情况下的低调是有原因的，一个叫MDM2的泛素连接酶将p53蛋白的半衰期控制在6~40分钟，更何况MDM2还有一个帮手MDMX。除了促进p53的降解，MDM2还通过与p53的竞争性结合破坏p53的转录功能，甚至还可以将p53赶出细胞核使得p53不可能和DNA结合发挥转录功能。有趣的是，MDM2也是p53这一转录因子控制的下游基因之一，这种你强我愈强的格局构成了MDM2和p53之间的负反馈关系，维持着微妙的平衡。

在应激状态下，有多种机制激活 p53。例如，各种应激状态可导致MDM2和p53发生相应的蛋白修饰，使得p53摆脱MDM2的控制，表达迅速升高，活性立即恢复。

由此，MDM2和p53构成了一个对各种应激状态的应急响应中心。这些应激状态通过MDM2调控p53，而p53有能力对一种应激状态产生多种应对机制。例如，当发生DNA损伤时，p53可以通过调控p21，CDC25和中心体将细胞周期分别阻滞在G1，G2和 M期，为DNA修复赢得时间。因此，如果要问为什么超过半数的肿瘤类型都有p53的突变，也许首先要问为什么MDM2/ p53可以应对这么多不同类型的应激状态。答案也许是由一个应急响应中心应对多种应激状态可能效率更高？

MDM2/p53应急响应中心以何种预案应对程度不一的应激是系统生物科学家特别感兴趣的课题；此外，对所有肿瘤抑制基因和癌基因都有一个共同的问题，即对某一特定组织类型，究竟需要发生几个基因突变和怎样的突变次序最终导致肿瘤发生。或许生物信息学在这些领域可以大展身手。

药物研发

一半以上的肿瘤都有同一个基因的突变意味着针对这个基因的抗肿瘤药物必定有着最广泛的市场。因此，针对p53通路的抗肿瘤药物研发具有十分诱人的前景。随着对p53认识的深入，靶向p53的抗肿瘤药物研发策略也在不断调整。

在p53众多突变中，大约10%属于基因片段丢失/插入，无义和移码突变，这些突变不表达p53蛋白；90%的突变属于错义突变，这些突变表达错误的p53蛋白，它们大多丧失了正常的p53功能，少数还具备功能。还有一些肿瘤p53并没有任何突变，但由于MDM2的高表达或其它原因导致p53蛋白表达水平非常低，无法发生作用。

把野生型p53导入丧失p53功能的肿瘤细胞是最直接的缺啥补啥策略，属于基因治疗的范畴。这类药物包括Advexin，SCH-58500和Gendicine（今又生），它们都利用了不具备复制能力的腺病毒作为表达野生型p53的载体。Advexin和SCH-58500都因为临床实验疗效不显著中止了临床实验，今又生在2003年由中国药监部门批准治疗头颈部肿瘤。然而，今又生的临床疗效并未得到普遍认可，被称为“早产儿”。

腺病毒不仅可以作为基因治疗的载体，也是一种溶瘤病毒。溶瘤病毒感染细胞后，能劫持利用宿主细胞产生新的具有感染能力的病毒颗粒并杀死宿主细胞。对腺病毒而言，它可以编码两种蛋白分别结合pRb和p53，促进细胞进入S期进行DNA复制。将腺病毒编码结合p53蛋白的基因片段删除，这种改造过的腺病毒感染细胞后仍旧可以结合pRb促使细胞进入S期但不能干扰p53功能。正常细胞表达p53诱导S期停滞从而抑制病毒DNA复制，而丧失p53功能的肿瘤细胞S期持续进行完成病毒DNA复制最终杀死肿瘤细胞。这类利用p53功能差异的溶瘤病毒药物包括ONYX-015和安柯瑞。ONYX-015在临床实验中发现它对p53功能正常肿瘤的疗效甚至好于丧失p53功能的肿瘤，引发了对它作用机制的担忧，临床实验现已停止。安柯瑞于2005年在中国被批准用于晚期鼻咽癌的治疗。

开发干扰蛋白-蛋白相互作用的小分子化合物是近来药物研发的重要领域。一类以研发地Nutley（位于美国新泽西州）命名为Nutlin的小分子化合物可以特异性地结合MDM2，使p53摆脱MDM2的控制而稳定高度表达。这类药物被称为p53激活剂，适用于没有p53突变但MDM2高度表达的肿瘤类型。罗氏将于2020年内公布idasanutlin治疗急性粒细胞白血病的三期临床实验结果。Nutlin类化合物还被广泛用于PROTAC策略，人们发现它们除了可以募集MDM2去降解蛋白靶标外，同时也可以使MDM2无暇顾及p53而产生激活p53的效果。另外还有一种被成为装订肽的药物也在发展中，这类药物可以同时抑制MDM2和MDMX。

错义突变产生的错误p53蛋白丧失功能可归因为竞争抑制和构象变化两类。p53的转录因子功能需要四个野生型分子组成四聚体，突变分子可以和野生型分子竞争性结合使得含有突变型的四聚体失去转录功能；发生构象变化的突变分子更加不可能与DNA结合。一些化合物据报道可以逆转特定突变蛋白使其具有和野生型蛋白相同的功能。

结语

破坏从来都比恢复或者重建来得容易，这也适用于肿瘤抑制因子。