标题8亿年！这样的69+Nature子刊重磅医学综述是标题党？还是真的有点东西？

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TP53基因为什么是人类癌症中最常见的突变基因

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今天要给大家分享的这篇综述是美国科学院院士、普林斯顿高等研究院系统生物学中心荣誉教授Arnold J. Levine在2020年5月13日发表于Nature Reviews Cancer（IF=69.8）上的《p53: 800 million years of evolution and 40 years of discovery（p53: 8亿年的进化和40年的发现）》。

笔者在看到这篇文章标题的第一时间就被这硕大的800 million years给震摄住了。好家伙，这是Nature Reviews Cancer抽风了吗？突然想不开收录了一篇古生物学相关的论文？定睛一看才反应过来，原来此文真正的重点是这40多年来大家对基因p53的研究。

实际上，在人类基因组所包含的2万多种基因中，TP53基因绝对是一个令医学界又爱又恨的存在。它既因拥有广泛而强大功能的抑癌基因，被誉为“基因组守护者”；又因其突变在许多癌症中非常常见，甚至促进癌症发生和发展，而被称为“基因的背叛者”。并且，超过一半的癌症患者携带了 p53 基因突变。

摘要

进化保守的p53蛋白及其调控的细胞通路通过对环境扰动的知情、调节和综合反应来介导肿瘤抑制，导致细胞死亡或维持细胞的稳态。p53和MDM2蛋白在这一途径中形成一个中心枢纽，通过MDM2接收细胞应激输入，并通过p53通知和改变细胞中的许多其他途径和功能来作出反应。MDM2-p53枢纽是与细胞内其他信号通路联系最紧密的枢纽之一，这可能也解释了为什么TP53是人类癌症中最常见的突变基因。

TP53基因的初始或躯干突变（干细胞的第一个突变）在癌症发展的早期通常选择内胚层和中胚层衍生的组织特定的干细胞和祖细胞，并在发生额外的突变后从这些组织类型形成肿瘤。在内胚层衍生的组织特异性干细胞或祖细胞中，TP53突变在功能上被认为是后期突变，使突变的细胞过渡为恶性肿瘤。癌基因或抑癌基因在干细胞中被功能选择的顺序影响了肿瘤的时间和发展。

简介

在整个多细胞动物发育过程中，TP53基因家族已经进化了6-8亿年。在发现这个基因家族40年后的现在，我们才终于明白为什么TP53基因是人类癌症中最常见的突变基因。尽管对此我们显然有更多的内容需要了解，但现在已经了解到很多了。

本观点汇集了三个相关的主题进行详细的讨论，包括：第一，TP53基因家族的进化及其成员在无脊椎动物和脊椎动物中的功能。第二，本文讨论了TP53突变在各种癌症中的作用——TP53突变在哪些组织类型衍生的干细胞或祖细胞中起或不起作用，以及TP53突变在这些不同的组织类型中以何种顺序被选择？最后，本文讨论了细胞中p53通路的功能结构和几何性状将如何让我们了解其功能，p53通路如何收集和整合信息以及该通路如何对这些信息做出反应。

这些相关的主题被汇集在一起，试图解释清楚为什么编码p53的基因突变是人类癌症的一个最常见的特征。因此，先简要讨论人类和小鼠的p53家族，并概述一下这些家族成员的功能，将会对理解有所帮助。

E3泛素连接酶MDM2通过蛋白修饰对各种内在和外在的细胞应激作出反应，这些修饰将增加或减它与p53蛋白的亲和力，或改变它的p53蛋白底物的连接酶活性。应激信号对MDM2活性的抑制会增加p53蛋白的半衰期，并迅速激活其转录，然后p53转录一组基因，从而介导修复这些应激造成的损伤或诱导细胞凋亡。MDM2和p53这两个蛋白形成一个枢纽，连接、激活并将信息传递给p53相关途径。这个枢纽将MDM2与非常多的应激信号连接起来，导致MDM2与p53结合不良，不能将其泛素化（图1），使p53稳定；或与p53结合，发挥其泛素连接酶活性（图2），导致p53在蛋白酶体中降解。

因此，MDM2-p53枢纽启始于许多不同的应激信号、MDM2和p53蛋白以及蛋白酶体降解机制之间的广泛交流。一旦p53被稳定和激活，它就会与一系列的细胞信号转导途径（图3）相互作用，并通过转录来传递信息，这些途径包括许多不同的细胞功能，导致细胞死亡或修复应激引起的细胞损伤。

细胞中p53水平的增加及其转录的激活是由十多种不同的应激信号介导的（图 1）。除此之外其他的细胞应激会导致p53活性的下降（图 2）。许多不同的病毒和细菌都含有使p53失活或降解的基因。这是因为病毒和细菌感染会使检测分子感应到应激信号，这将会激活p53，然后将启动细胞死亡程序。这种激活伴随着巨噬细胞的吸引并诱导衰老相关分泌表型（SASP），进一步招募自然杀伤细胞和 CD8+T 细胞到感染部位，导致细胞死亡以及巨噬细胞对死细胞的吞噬。

巨噬细胞被p53介导的编码巨噬细胞抑制性细胞因子1（MIC1；也称为GDF15）的基因的转录、翻译和分泌所吸引，该基因是直接或初级的p53转录产物（即拥有p53响应的DNA元件）。SASP相关基因似乎是次级转录物，受初级p53转录物产生的蛋白质调节。因此，许多额外的信号转导途径，如这里讨论的先天性和适应性免疫反应，都与MDM2-p53枢纽相贯通。

图1：应激信号导致p53激活

p53 家族

人类的p53样转录因子家族由三个基因编码，即TP53、TP63和TP73。p53、p63和p73的蛋白域结构相似，三者的DNA结合域在结构上几乎相同，它们与相似的DNA特异性序列结合，调节一些相同或不同基因的转录。而它们的C端结构域在大小、序列和功能上各不相同，这类结构域的功能是调节DNA结合和转录，介导蛋白内和蛋白间的功能相互作用。而所有三个蛋白的N端序列至少编码两个不同的转录激活结构域。

与p53相似地，p63在男性与女性生殖细胞系中通过诱导细胞死亡来应对DNA损伤。p63也是全身鳞状细胞上皮的生成和再生的关键转录因子，并作用于颅面结构、四肢和中枢神经系统。p73是产生纤毛上皮细胞所必需的，因此在许多含有这些细胞的组织（男性生殖系统、免疫系统、听觉、气管、肺、中枢神经系统等）中发挥作用。

P53家族的进化

p53、p63和p73蛋白的DNA结合域的氨基酸序列和结构在很大的进化时间范围内被保存下来，并已经被用来追踪动物中p53家族成员的起源和进化。然而，在植物、真菌和古细菌中，还没有研究报道过它们含有与p53家族相关的蛋白序列。现今的鞭毛虫含有一个p53的同源物，其DNA结合域以及C端与人类p53的DNA结合域和C端非常相似。

因此，生活在约6-8亿年前的鞭毛虫和人类的共同祖先，可能是动物界最早的多细胞生物例子之一。同样地，在后来进化的更复杂的动物，如海葵、苍蝇和扁形和圆形的蠕虫，都有与人类p53、p63和p73DNA结合域有很强的氨基酸序列同源性的蛋白质（尽管其C端与p63的关系更密切）。

此外，黑腹果蝇和秀丽隐杆线虫的p53DNA结合结构域与人类p53的DNA结合结构域非常相似，这是通过 X 射线晶体衍射测定的。也许更值得注意的是，在无脊椎动物和脊椎动物中，p53家族蛋白调节基因转录的特异性结合DNA序列也是相同的。

无脊椎动物中类似p63的基因（黑腹果蝇的Dmp53基因和秀丽隐杆线虫的cep-1基因）的表达，主要定位在于些动物的生殖系细胞上。在对发育中的生殖细胞的 DNA损伤作出反应时，Dmp53和cep-1基因的转录被激活并诱导细胞凋亡，保护生殖系统不产生突变的单倍体。

事实上，由苍蝇的Dmp53或蠕虫的CEP1调控的凋亡途径中的基因，与人类的p53蛋白调控的基因相似（DMP53的reaper和hid以及CEP1的egl-1），其蛋白产物介导由受损DNA诱导的哺乳动物细胞凋亡。无脊椎动物生殖系中的CEP1和Dmp53蛋白以及小鼠和人类生殖系中的p63蛋白所调节的功能和信号转导途径，预防了生殖细胞中受损DNA的传播，从而防止突变率的提高，并且在动物进化的这些漫长时间框架中保持不变。

八亿年来从未改变过的基因和通路，是证明类似p63的枢纽和途径在保持种系中物种的保真度方面非常重要及核心的最好证据之一。在长寿脊椎动物的体细胞组织中保持DNA序列保真度的p53蛋白进化适应性，是在身体的不同组织类型中为类似目的重复使用同个基因的例子之一。

上述对p53和p63进化的描述还是不完整的。例如，现在的鞭毛虫有一个类似p53的基因和一个类似MDM2的基因。然而，已被研究过的其他无脊椎动物，虽也在生殖系中有一个类似p63的基因，却没有发现MDM2的同源物。随着脊椎动物的进化，p53和MDM2蛋白才在其体细胞中被检测到，同时检测到p63蛋白既存在体细胞中又在雌性生殖系中。在猿类和人类中，p63蛋白在雄性生殖系中表达，并承担其基因组保真的作用。

因此，要么我们所掌握的关于这个基因家族进化的信息是不完整的（而且可能一直是不完整的），要么我们所看到的是随机的和非引导性的，进化的本质只是利用了那些不断被使用和重复使用的功能，并随机地适应了身体的新部位和新功能。

图2：应激信号导致p53抑制

组织特异性干细胞

随着脊椎动物的进化，它们发展出了组织特异性干细胞，这些干细胞终生保留在成熟体内，以重新填补老化的器官，这与无脊椎动物甚至脊椎动物的组织或器官再生不同，后者的干细胞是由分化的细胞类型通过表观遗传学去分化产生的，产生的干细胞在应对组织损伤时能再生出整个四肢或尾巴。

在小鼠和人类中，许多不同的组织特异性干细胞在整个生命中持续存在并自我复制。例如，来自小鼠结肠的干细胞，在组织特异性生长因子(如 WNT)的作用下，可在培养中复制和扩展，形成器官组织，并产生许多在这些组织或器官中发现的细胞类型。

在小鼠和人类中，组织特异性干细胞通过正常的细胞更替，不断取代老化的组织。哺乳动物每天产生数十亿个新细胞；例如，结肠每4天翻新一次，皮肤每28天翻新一次，血细胞则源源不断地被制造出来。质量寿命三角模型可以很好地预测哺乳动物的质量和寿命之间的相关性，但人类和其他一些哺乳动物的实际寿命比其所预测的更长，上面说到的细胞翻新可能就是原因之一。

与其他相同质量的哺乳动物相比，人类的性成熟和生殖时间也较晚，而生殖年龄晚与寿命长之间有一定的关系。最后，人类在发育过程中会产生出复杂的结构（如大脑），在出生后且在细胞翻新开始后不久就持续为这些结构生产着细胞。显然，长寿命需要一个组织特异性干细胞群，以便在这段时间内再生组织。

然而，由于组织特异性干细胞能在一生中不断取代老化和死亡的细胞，这对生物体来说也有一些缺点。组织特异性干细胞充斥着人的身体，并在我们的一生中进行自我繁殖，同时它们也会分化成不再复制的终末细胞类型。欧文·魏斯曼(Irving Weissman)指出，这些干细胞 “是组织形成、生殖系发展和癌症发展的自然选择单位”。

人体内的复制干细胞（小肠、结肠和肝脏干细胞）每年的复制将积累约40个突变。这个数值是由器官的全基因组测序分析确定的，器官由3-87岁的人类捐赠者的不同组织克隆的干细胞衍生出来。这些数字并不是突变率，因为在干细胞群中，一些突变会在复制过程中被保留以提高适应性，因此这些突变能够在较多的序列中被检出。相比之下，除非对大量的DNA分子进行特别深入的测序，否则不会观察到单细胞的突变。

当干细胞在调控细胞生长和/或分裂、DNA修复或细胞死亡的途径中积累突变时，这些细胞会因为适合度的增加而被选中，进一步造成其细胞分裂的增加，或细胞死亡的减少。这种选择增加了含有初始（或躯干）突变的干细胞数量，我们以前将其定义为被组织特定干细胞选择的第一个突变。

许多研究发现，组织特异性干细胞或祖细胞是由致癌基因或抑癌基因突变引发癌症的主要靶标。例如,致癌基因或抑癌基因只在某些特定组织的干细胞中表达或选择性地发挥作用，使导致癌症形成的初始或躯干突变具有组织特异性。因为根据定义，遗传性突变就是初始或躯干突变，这一观察结果解释了为什么遗传性突变能够组织特异性地导致早期或第一种癌症。

当来自结肠肿瘤的组织特异性干细胞被分离出来培养产生器官，发现它们不仅有初始因果突变，还有产生恶性肿瘤的所有因果突变。这表明，组织特异性干细胞可以成为导致肿瘤的突变的目标细胞。随着时间的推移，这种干细胞的亚克隆仍有可能获得或失去初始或额外的突变。

图3：p53转录输出对不同类型胁迫的响应

初始突变与选择

最近，我们提出，被选择的致癌基因或肿瘤抑制基因的突变最初在不同组织的特定干细胞中发挥作用，以便增加一个组织中的细胞克隆数量，产生一个小的良性肿瘤。一旦发生这种情况，扩大的克隆中的初始突变就会选择一组特定的次级突变。虽然突变可以以任何顺序发生，但在组织特定的干细胞类型中，额外突变的功能性选择将以特定的顺序发生，并进一步选择使克隆和肿瘤的适配性增加的突变。

这种选择首先在结肠癌中观察到，不同个体的不同基因突变的顺序——APC、RAS和SMAD4的突变——产生了一系列越来越大的良性肿瘤，随后TP53的突变导致了恶性肿瘤。这项工作之后，研究人员采用了正常的组织特异性结肠类器官，并使用CRISPR-Cas9将突变引入这些干细胞，以测试突变顺序对产生恶性肿瘤的影响。

这些实验表明，突变的顺序对肿瘤的顺利产生至关重要，随机的顺序并不能有效产生肿瘤。最后，研究人员在小鼠身上进行了体内研究，证明了需要这种特定的顺序才能最迅速地产生结肠癌。在其他以报道研究中也得出相同结论，组织特异性干细胞和突变顺序都很重要。

突变的顺序很重要

TP53种系突变杂合子的 Li–Fraumeni综合征患者可发生婴幼儿肿瘤，包括脉络丛癌、肾上腺皮质癌、横纹肌肉瘤和某些类型的髓质细胞瘤。青少年和青年患者最常见的肿瘤是成骨肉瘤、软组织肉瘤、血液肿瘤、胶质瘤和胶质母细胞瘤，以及雌激素受体阳性、孕激素受体阳性（ER+PR+）乳腺癌。而老年最常见的肿瘤是结肠癌和肺癌（图4）。

为了解释为什么遗传的TP53突变会在不同年龄段的不同组织类型中引起肿瘤，我们假设在一些组织特定的干细胞中，例如外胚层和中胚层衍生的干细胞。而在其他特定组织的干细胞中，例如内胚层干细胞，TP53突变不会导致表型或对细胞分裂产生任何影响，直到发生额外的突变（这需要很长的时间）。一个特别好的例子是，在自发性结肠癌中，导致p53功能丧失的TP53突变是在APC、RAS和SMAD4突变后最后发生的突变，并导致恶性转化。

相比之下，正常结肠干细胞中的TP53功能丧失突变则没有这种影响。这些观点在上一节关于组织特异性干细胞的部分有详细讨论，与 Elledge 等人的工作一致，他们表明，致癌基因或抑癌基因的功能只在特定的细胞类型中产生细胞生长表型。因此，突变的顺序对肿瘤的发展具有重要的功能。

以下的研究结果支持上述这一假说（图4）。Li-Fraumeni综合征患者与普通人群相比，生命早期患遗传性 TP53 突变的外胚层组织（髓母细胞瘤和脉络丛瘤）和中胚层组织（肾上腺皮质癌和横纹肌肉瘤）癌症的超额风险约为的250-500倍（图4）。在中年时期（18-45岁），50%的Li-Fraumeni综合征女性患者会发展ER+PR+乳腺癌。这是因为种系TP53突变赋予了高乳腺癌发展的风险（乳腺癌发生在外胚层组织中），但此外这些肿瘤总是需要高水平的雌激素和孕激素来帮助发展，这使肿瘤发展的时间推迟到青春期或成年早期。

在自发性乳腺癌中，当TP53突变不是初始突变时，TP53突变大多出现在三阴性亚型中。相比之下，内胚层组织的癌症超额风险（例如Li-Fraumeni综合征患者的结肠癌和肺癌）只有2-4倍，而且这些癌症只发生在生命的很晚阶段（图4）。有趣的是，在大约70岁以后，遗传性TP53基因突变的人患癌症的超额风险，下降到没有生殖系统TP53基因突变的人患癌症的风险以下。

对这些观察结果最简单的解释是，TP53的突变可以有效地发挥初始或者躯干突变（遗传性突变）的功能，迅速使外胚层或中胚层来源的组织恶性化，而内胚层来源的干细胞中的相同突变，如果在TP53突变之前没有发生其他致癌基因或抑癌基因的突变，则不会发挥促肿瘤生长功能（不会产生克隆性生长）。这些流行病学的研究表明，与内胚层干细胞相比，外胚层和中胚层干细胞的p53途径及其功能是不同的。

如果生殖层依赖p53功能的假设是正确的，那么产生外胚层、中胚层和内胚层干细胞的发育的表观遗传程序有可能也负责改变野生型和突变型p53蛋白的转录或蛋白质-蛋白质相互作用的反应。鉴于Trp53基因敲除小鼠的后代发育正常，这一结论令人惊讶。然而，这些小鼠在很小的时候就会发生癌症，所以也许我们需要更深入地研究Trp53敲除小鼠的发育程序，以揭开表观遗传标记改变的秘密。那里可能隐藏着一些异常现象，可以告诉我们关于不同细胞类型中 p53 途径的性质。

在整个生命过程中，组织特定干细胞因为不断地复制将积累突变。组织特异性干细胞的初始突变所赋予的复制优势，可导致器官中的干细胞或祖细胞的自我限制性克隆扩张。皮肤或食道上皮细胞的NOTCH突变将导致克隆扩张，良性生长，其中一些可能会在增殖过程中产生额外突变并发生癌症前兆。

同样，在骨髓细胞的增殖克隆中也发现了表观遗传调节基因、DNA甲基转移酶3A（DNMT3A）和TET2以及p53通路基因、TP53、蛋白磷酸酶 1D（PPM1D）、ATM和CHEK2发生突变的骨髓前体，并且骨髓细胞的突变数量随着年龄和暴露于诱变剂而增加。“早期”失活的TP53突变使随后的表观遗传突变成为可能并增强其细胞表型，并在NRAS、KRAS和FLT3等基因发生额外的（“晚期”）突变后，产生会发展为急性骨髓性白血病的前体。

此外，编码p53DNA结合域的基因区域中各种错义突变（在癌症中观察到的同样的突变）将随着年龄的增长而积累，这一点可以通过对无癌症妇女子宫灌洗收集的DNA进行深度测序和其他一些方法来确定。

选择过程：BRCA1 和 TP53 突变

我们是否了解初始突变在一系列有序的事件中选择下一个突变的机制？这一系列事件的最好例子之一是在DNA损伤修复基因的遗传和自发突变中看到的。遗传性和自发性的BRCA1和BRCA2基因突变（易导致首先出现在卵巢和乳腺的癌症）后，通常会选择TP53突变。BRCA1或BRCA2的非激活性突变导致细胞修复受损DNA的能力下降。受损的DNA被ATM识别，最终导致p53的稳定和p53依赖的转录和蛋白-蛋白相互作用的增加，导致凋亡性细胞死亡，或含有突变的BRCA1或BRCA2的细胞发生DNA修复。

因此，在携带野生型p53的细胞中，BRCA1或BRCA2失活突变的表型效应被抑制，而这些突变有可能导致恶性转化。事实上，在癌症中发现的许多DNA损伤修复基因的突变，是与TP53的突变共存的。例如，包含BRCA1突变的癌症中的70-90%也有TP53基因的突变。然而，携带BRCA2失活突变的癌细胞显示出DNA损伤，但是TP53突变在这些细胞中的发生率低于BRCA1突变的肿瘤。产生这一观察结果的原因还不太清楚，但可能涉及转录后或翻译后机制，使p53失活。

选择过程：RAS和TP53突变

在许多具有RAS突变的肿瘤中（如肺、结肠和胰腺肿瘤），TP53突变的比例也很高。早期的研究表明，过量表达KRAS的大鼠成纤维细胞通常会发生复制性衰老，这种反应被强阴性p53表达或p53的突变导致的转化所克服。特别是KRAS途径的激活导致ARF的表达增加，从而抑制了MDM2，导致p53的稳定活化和细胞衰老。

在体内KRAS突变似乎也能激活野生型p53，使干细胞或原生细胞进入衰老状态。这会诱导SASP，导致免疫细胞介导的对衰老细胞的清除，从而防止在野生型 p53存在下表达KRAS的细胞转化。大多数表达KRAS的细胞只有在携带失活的Trp53突变时才具有选择优势。保留野生型TP53基因的突变KRAS表达细胞很可能通过另一种尚不清楚的机制使p53蛋白或衰老途径失活。

PML-p53途径是一种可在RAS激活的正常细胞中诱发衰老的替代途径。在RAS突变的情况下，野生型p53作为转录因子被激活，并激活编码PML蛋白基因的转录（图3），导致核体的形成，其中p53被组蛋白乙酰化酶乙酰化并启动转录程序，导致细胞衰老。下一节将详细讨论ARF-p53或PML-p53途径达到相同目的的特性以及不同功能网络（p53途径和表观遗传途径）之间的相互作用。

选择过程：表观遗传调节和TP53突变

关于干细胞或祖细胞中的第一个突变如何导致选择特定的第二个突变，例子之三是表观遗传调节因子的突变，这会导致表观遗传活动和修饰位点的巨大变化，并导致p53介导的细胞凋亡，从而选择具有TP53突变的活细胞。这在编码DNMT1基因的条件性缺失的Cre小鼠中被首次证明。

DNMT1将一个甲基转移到CpG二核苷酸中新合成的胞嘧啶残基上，该残基与DNA模板链中甲基化的GpC二核苷酸配对。在应对Cre重组时，DNMT1的CpG甲基化未能发生，细胞失去表观遗传标记，导致两次细胞分裂后的细胞凋亡。当Trp53在这些小鼠中被敲除时，细胞不会因Dnmt1敲除而发生凋亡。当一些细胞逃脱了这种p53介导的凋亡并开始分裂时，它们会变成癌症。

这些实验表明，p53可以检测到异常的表观遗传学变化，然后导致细胞死亡。这种解释得到了其他改变表观遗传变化的方法的支持。例如，在人或小鼠成纤维细胞中过量表达四个特定的转录因子（Yamanaka因子，在细胞培养中导致去除表观遗传标记和去分化为多能干细胞。当这种情况在培养中发生时，其效率非常低（0.1-1%），而产生这些干细胞所需的时间为数周或数月。

然而，在缺乏野生型p53蛋白的情况下，效率可高达80%，而且去分化所需的时间也减少到几天。这些实验支持p53蛋白对表观遗传压力作出反应的观点。第三类实验也支持这一观点。药物阿扎胞苷或地西他滨（药物的脱氧核糖形式）能够被纳入RNA和DNA中，在那里它可以阻止CpG二核苷酸中胞嘧啶残基的甲基化。这些药物对有p53功能丧失或缺乏p53表达的细胞的杀伤力比表达野生型p53的细胞高。

在承载肿瘤异种移植的裸鼠中也有类似的现象。在存在突变型p53的情况下，肿瘤的生长会因这些药物而减慢，而表达野生型p53的肿瘤则对这些药物没有反应。对这些观察结果的一种解释是，野生型p53通过维持DNA中的正常表观遗传标记，而具有突变型p53的细胞则不能做到这一点，而巨大的表观遗传变化会杀死或损害经药物处理的细胞。

因此，与野生型p53相比，无论采用药物、转录因子还是突变来改变细胞DNA中的表观遗传标记，p53的丢失或p53活性的降低都能使细胞对表观遗传修饰敏感。这三个例子——对DNA修复缺陷的反应、对细胞分裂的控制和对表观遗传功能的监测——都将这些信号转导途径与MDM2-p53枢纽和途径联系起来。

图4：Li-Fraumeni综合征患者发生特定癌症的额外风险

MDM2——P53，一个中心枢纽

本文的前几节表明，MDM2-p53中心枢纽及其通路与细胞网络中的许多其他功能通路具有类似的结构、相似的几何形状和连接性。这种连接性提供了细胞应激（图1和图2）以及细胞对这些应激的不同反应（图3）的大量信息。该途径的这些特点，以及它处理各种应激的强度和类型的信息的能力，将综合决定细胞的死亡或修复，这可能是TP53基因是肿瘤抑制基因的原因。应用更多的定量方法来分析 p53 通路及其与整个细胞通路网络的联系将是有益的。

利用香农信息理论，已经可以计算出大型蜂窝网络中每个相邻节点所接收和传输的信息量。这可以用信息比特来衡量正确的信息从一个节点传输到另一个节点的概率，以及接收节点的结果是否准确反映了来自发送节点的输入。通过研究一个网络的结构和几何形状及其与其他网络的连接，反馈环和前馈环的数量，以及结果的功能多样性，就有可能计算出一个应激输入和一个功能输出（在p53的情况下，输出是细胞死亡或修复和平衡）所带来的信息。

根据这一分析，MDM2-p53枢纽和p53通路是整个细胞中连接数最多的途径之一，因此被赋予了一个或多个种类的输出。在MDM2-p53途径的枢纽中，至少有14个不同的应激信号向MDM2报告信息。同时，MDM2和p53的翻译后修饰和蛋白质-蛋白质的相互作用将调控下游信号转导。高水平的p53加上翻译后的修饰会触发许多蛋白-蛋白的相互作用以及介导转录程序。

p53主要转录物在许多不同的途径中充当节点，包括调节细胞周期的蛋白质，导致停滞在G1期（p21抑制细胞周期蛋白E2）或G2期（被MDM2介导的细胞分裂周期25C（CDC25C）的降解，p53介导的CDC25C转录抑制和p53降低G2到M转换所需的细胞周期蛋白B1水平）。这些导致细胞周期停滞的不同机制是MDM2-p53枢纽内途径功能冗余的极好例子。细胞周期的M期是由中心体启动有丝分裂纺锤体组装开始的，而p53直接调节中心体的复制，因此导致在分裂的细胞中只有两个中心体来进行染色体的适当分离。

代谢途径是MDM2–P53枢纽积极参与的另一组调控网络。TP53诱导型糖酵解和细胞凋亡调节器（TIGAR）的转录由p53诱导，TIGAR是一种在肿瘤发生过程中降低糖酵解活性和活性氧（ROS）水平的蛋白。p53还会诱导SCO2（细胞色素氧化酶2），SCO2是一种在细胞核内编码的蛋白，功能是调节线粒体呼吸。p53诱导TIGAR和SCO2在总体上减少了癌症代谢的温伯格效应（以及胎儿生长速度和伤口愈合）。

Parkin是线粒体中由p53调控基因编码的蛋白质，在DNA损伤后介导有丝分裂，并阻止ROS生成，对温伯格代谢过程也有相当的影响。谷氨酰胺酶2（GLS2）是一个线粒体相关的p53调控基因产物，可将谷氨酰胺转化为谷氨酸，谷氨酸一旦转化为α-酮戊二酸，就会进入TCA循环。谷氨酸也是谷胱甘肽的前体，而谷胱甘肽可防止ROS的产生。

P53还介导sestrins家族的表达，并进一步将其与ROS调节和mTOR信号联系起来。编码PTEN、5′AMP激活蛋白激酶（AMPK）的β亚基和tuberin（TSC2）的p53调节基因，会调节哺乳动物雷帕霉素复合物1（mTORC1）和mTORC2，而这两个基因又是高效翻译和调节细胞生长和分裂的核心（图3）。

因此，与细胞周期和新陈代谢过程的广泛交流，以及在这些通路中基因或节点的冗余和反馈回路，确保了通路的功能稳健性。这里有五个已知的p53调控基因，它们的作用是降低ROS水平和控制温伯格效应。这些基因中一个或两个的缺失，不会对该途径的决策或信息传递产生实质性影响。这些观察结果还表明了p53途径是如何确保细胞成分的忠实复制以及细胞周期的有序进行，同时通过调节代谢过程有效地提供营养物质和底物。当然，这些都是达尔文选择、复制和资源的有效利用的主要因素。

MDM2–P53枢纽的鲁棒性及鲁棒性的缺乏

MDM2-p53途径的特性，即冗余和与其他细胞途径的广泛交流以及反馈环路，与其稳健性相关，并表明一个通过中央枢纽处理信息的架构，这种架构提供了新功能和新方向的进化能力。这些特性与网络的几何结构和向中枢反馈信息的能力密切相关。脊椎动物中p53，p63和p73执行新功能（p53从生殖系转移至体细胞，p63在发育和分化中扮演新角色），在无脊椎动物的生殖系中，p63的功能在进化过程中长期不变，因此需要鲁棒性，通过增加许多小的进化步骤来增加这些途径中起作用功能的数量和组织的数量。

鲁棒性的第二个作用是提供备份功能，因此，如果通路或节点中的一个因素失效，则会有第二种甚至第三种方法可以容纳最初的功能丧失。例如，在多种组织特异性干细胞中，可能需要四到五个突变，每个突变都以不同的功能途径并以特定顺序选择，以产生恶性肿瘤。即使在儿科癌症中，单个基因的突变也很少会导致癌症。

令人惊讶的是，尽管由野生型MDM2-p53枢纽调控的下游基因网络确实很强大，但通过突变失去p53功能会关闭整个通路。突变型p53通路的结构似乎没有这种强大的备份能力。如果一个突变使整个通路及其所有有用的信息失活，那么这个通路就不健全。为什么它会以这种方式进化？在p53网络中，许多不同类型的应激都连接到一个由MDM2和p53蛋白组成的单一节点，并以相互叠加的方式连接。而p53会通过激活 MDM2 转录启动其自身的降解（图3）。

一个更强大的应激反应方案可能包括应激信息的单独收集因素。例如，几个类似MDM2的基因和蛋白以及几个类似p53的蛋白分别对不同的应激作出反应，这些应激与应激网络和反应网络都是相互联系的。在这个场景下，十个p53样蛋白中任何一个的损失都不会使其他九个反应失活。这一观点引出了一个问题，为什么在现实中，所有的应激都进入了一个单一的MDM2-p53节点，而所有的反馈都来自于这个节点。

当然，在人类基因组和细胞中还有其他应激传感器和反应器；例如，内质网（ER）未折叠蛋白应激途径或ER应激途径。但没有其他途径像p53 一样，关系到50%以上的人类癌症中发生突变的基因或节点。其他途径在预防癌症方面的作用不如MDM2-p53枢纽和途径那么大。为什么只有一个类似p53的基因而没有十个这样的基因，这个问题的一个答案在于整合同时发生的几种应激的信息并以适当的方式做出反应的效率。

为什么 TP53 在人类癌症中突变最多？

对于单个p53节点具有用于所有输入和输出的现有架构，一个常见解释是，同时需要将多种不同的应激和信号传达给p53节点，以快速的组合应激信号并整合响应程序。信号转导网络使用单一节点或蛋白质更有效地整合输入的组合，而不是使用多个节点和多个连接来交叉整合信息。单一蛋白上的蛋白质修饰比十个不同的p53样蛋白中的一些修饰更能整合信息。

要整合十个不同的p53样蛋白的节点，使它们能对三种不同的应激作出反应，需要一个比单个p53节点复杂得多的网络结构，因此错误率较高，信息含量较低。例如，如果发生两种应激，就需要两个独立的信号来改变一个p53蛋白的两个位置，或两个信号来改变十个p53样蛋白中的两个。这两种途径的步骤数量相等。接下来，经过修饰的单个p53蛋白将由于蛋白质的修饰而改变其构象，并与适当的基因结合以作出综合反应，从而解决了这个问题。

然而，十个类似p53的蛋白质结构必须在十个节点之间发出信号，以确定哪些蛋白质被修改，然后用三个独立的转录因子作出反应，给予适当的组合反应。这将需要在途径中增加许多额外的步骤，会导致出错的机会增加，信息内容的质量下降。一个单一的中央信息整合器为该途径提供了更好的结构。

如果应激和应激的程度的信息沟通不良，如DNA损伤，可能会导致一个DNA损伤过度的细胞无休止地试图修复DNA，而细胞正确的反应应该是进行细胞死亡。一个不断修复其DNA的细胞不能忠实地进行复制。这表明，进化很可能选择了一个单一的MDM2-p53中心，因为它选择了p53所服务的细胞、组织和器官的共同应激组合。

这些整合应激输入和输出的高阶功能，有助于解释为什么p53的肿瘤抑制不是简单地只由p53的一个、两个或三个靶基因介导，而是由p53介导的转录反应的组合。由于该途径具有冗余性，下游删除或失去一两个p53靶基因可以通过对应激的适当反应的高阶信息整合来补偿。因此，p53介导的肿瘤抑制是一套对环境改变的综合和调节性反应，导致细胞的修复和平衡。

结论

达尔文进化论的标志是通过随机变异（突变）和自然选择为生物体提供价值。p53/p63通路的核心，即生殖系中的DNA损伤输入和细胞凋亡输出，在6-8 亿年的进化过程中一直保存下来。这验证了该途径对生物体的重要性。脊椎动物的组织特异性干细胞显示了同样的达尔文原则。在人类中,它们在生命中每年经历约40次突变,而这些组织特异性干细胞中选定的初始或截断突变会导致它们进行自我限制的增殖和数量增加。

有趣的是，只有一部分致癌基因或抑癌基因能够发挥作用，并以组织特定干细胞的方式产生这种表型。不仅组织特异性与特定的致癌基因或抑癌基因相匹配，而且这些突变被选择的顺序对肿瘤的发展速度和从良性到恶性状态的转变也很重要。

TP53是人类癌症中最常见的突变基因这一事实表明，MDM2-p53枢纽和途径对抑制肿瘤很重要，详细了解这一途径对我们了解人类癌症很有用。细胞应激的输入由MDM2接收，它将信息传递给p53，而p53则启动蛋白质蛋白相互作用并与DNA位点结合，激活应对应激的一系列主要基因的转录。

反应分为两类，要么是修复和恢复正常状态，要么是细胞死亡。奇怪的是，发生不同形式的细胞死亡是可能的，包括细胞凋亡、铁死亡、通过p53调控的FAS和肿瘤坏死因子（TNF）基因产物介导的的程序性坏死、和带有SASP的衰老导致免疫介导的细胞死亡。这是p53冗余的另一个例子，在选择致死基因突变的癌细胞中，必须多走一步（将它们全部突变）才能克服野生型p53。显然，消除野生型p53比敲除四个不同的基因和通路要容易。

该途径使用MDM2-p53枢纽来接收应激信号并作出反应，并具有许多独特的特性。首先，该途径与细胞内大量的信号转导通路有高度的连通性，p53反应基因填充了大量的其他通路。了解这种联系的价值在于更好地理解与各种类型的基因突变相关的复杂特征和表征。其次，只要p53基因是野生型基因并正常发挥功能，就会有大量的冗余内置于该途径中。同时，有许多反馈回路能使中央枢纽了解到变化的发生（通过开启和关闭p53的方法）（图3）。最后，通过蛋白质修饰介导的信息整合度增加，从而在这些通路被激活时获得信息。这表现为MDM2和p53特定残基的磷酸化、乙酰化、甲基化等等，反过来通过构象的改变又改变了这些蛋白的活性。

目前，我们并不了解这种信号传导的信息语言。任何随着时间推移而获得信息的网络都必须消耗更多的能量来平衡细胞的状态和运行反应。这些途径中ATP和GTP水解的发生和使用，以及p53途径的代谢控制，都有可能使这种能量消耗发生。

p53途径有几个重要的复杂性还没有被详细了解，因此本文没有涉及。p53、p63和p73基因有许多重要的mRNA和蛋白质的剪接变体，具有多种重要的有趣的功能。我们尚不了解突变体p53蛋白的功能增益表型的机制以及它们在癌症中的作用。它们看起来会在恶性肿瘤中发挥重要作用。

同时，我们不了解如何利用p53途径来设计p53突变体或野生型蛋白的疗法。使用合成致死突变和通过小分子量的重新激活剂将突变的p53蛋白恢复为野生型功能蛋白的方法，仍有待于在人类身上探索和证明。采用本文中讨论到的一些想法和假设，再花费时间和进行更多的研究，将可能会解决这些问题。

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