P53, Окислювальний стрес та старіння
Анотація
p53 є критичним супресором пухлини
Критичний супресор пухлини р 53 відіграє важливу роль у зупинці клітинного циклу, апоптозі, старінні або диференціації у відповідь на різні генотоксичні та клітинні стреси, включаючи окислювальний стрес (73, 102, 133). Як охоронець геному, інактивація функції p53 дикого типу шляхом прямої генної мутації або порушення шляхів, важливих для активації p53, є необхідною умовою розвитку більшості ракових захворювань людини (35, 92, 127). Як фактор транскрипції p53 складається з двох N-кінцевих доменів трансактивації, основного ДНК-зв'язуючого домену та С-кінцевого домену олігомеризації (55, 92). Через свою потужну активність в індукуванні апоптозу та старіння стабільність і активність p53 жорстко регулюються посттрансляційними механізмами (47, 51, 129). За відсутності напружень р53 неактивний і нестабільний через взаємодію з Mdm2 та MdmX, які інактивують р53 та убиквінінат р53 для протеасомнозалежної деградації (рис. 1). У відповідь на стреси р53 модифікується посттрансляційно шляхом фосфорилювання, ацетилювання, метилювання та сумоилирования в різних місцях, порушуючи взаємодію між p53 та його негативними регуляторами, що призводить до активації та стабілізації p53 (68, 85, 104).
Активація p53 у відповідь на пошкодження ДНК та окислювальні стреси. За відсутності напружень негативні регулятори p53, такі як Mdm2/MdmX, пригнічують активність p53 і викликають його деградацію. У відповідь на пошкодження ДНК та окислювальний стрес p53 та його негативні регулятори посттрансляційно модифікуються, приводячи до активації p53, порушуючи взаємодію між p53 та його негативними регуляторами.
Як фактор транскрипції, p53 може безпосередньо регулювати експресію сотень генів, продукти яких опосередковують різні р53-залежні функції (рис. 2) (43, 53, 69). Наприклад, p21 та 14-3-3σ відповідають за p53-залежну зупинку клітинного циклу (30, 31, 50); p53 може також індукувати диференціацію клітин ембріональних стовбурових (ES) клітин шляхом придушення експресії Nanog, яка необхідна для самовідновлення клітин ES (64). У відповідь на високий рівень пошкодження ДНК р53 індукує апоптоз та старіння шляхом регуляції апоптотичних генів, таких як Noxa та Puma (66, 71). Ці функції р53 запобігають проходженню пошкодження ДНК до дочірніх клітин і, таким чином, підтримують геномну стабільність. У відповідь на окислювальний стрес р53 активує транскрипцію ряду генів, що беруть участь у регуляції окисного стресу, таких як Сестрін, глутатіонпероксидаза (GPX), альдегіддегідрогеназа (ALDH) та індукований ядерним білком 1 (TP53INP1) пухлинний білок (TP53) 14, 16, 115, 130). p53 також може регулювати рівень клітинного окисного стресу, модулюючи гліколіз шляхом індукції експресії TIGAR (індукований TP53 регулятор гліколізу та апоптозу) та придушення експресії фосфогліцерат-мутази (PGM) (9, 58).
Гени-мішені p53 є медіаторами різних p53-залежних функцій у відповідь на пошкодження ДНК та окислювальні стреси.
p53 та Старіння
Недавні дослідження функціонально пов’язували p53 зі старінням у різних організмах (рис. 3). Ортолог p53 у Caenorhabditis elegans, Cep-1, бере участь у негативному регулюванні тривалості життя хробака, оскільки зменшена експресія Cep-1 призводить до збільшення тривалості життя (4). Експресія домінантно-негативних версій Drosophila melanogaster p53 (Dmp53) у дорослих нейронах продовжує тривалість життя та збільшує генотоксичну стійкість до стресу на льоту (8). Оскільки експресія домінантно-негативного Dmp53 додатково не збільшує тривалість життя мух з обмеженим вмістом калорій, ці результати свідчать про те, що p53 бере участь у опосередкуванні обмеженого вмісту калорій у мух. Однак дослідження мутагенезу на C. elegans показують, що певні мутації, що продовжують тривалість життя, збільшують активність р53 та стійкість до раку (94). Отже, підвищена активність p53 пов’язана як з прискореним старінням, так і зі збільшенням тривалості життя C. elegans.
Короткий зміст модуляції впливу p53 на тривалість життя різних організмів.
Подібний складний сценарій спостерігається також при вивченні ролі р53 у старінні ссавців. Одна модель миші, в якій N-кінець p53 усічений, демонструє підвищену активність p53 та прискорене старіння (119). Однак через велику делецію геномної ДНК перед р53, яка містить 24 гени (40), залишається незрозумілим, чи відповідає якийсь із цих видалених генів за ці старіння фенотипів. Потенційна участь N-кінця усіченого p53 у старінні додатково підтверджується надмірною експресією видаленої N-кінцем ізоформи p53 p44 у мишей, що призводить до прискореного старіння (72). Це дослідження припускає, що p44 модулює тривалість життя, інгібуючи шляхи передачі сигналів PTEN та IGF (39, 75, 110). Щоб зв’язати p53 зі старінням у людей, недавнє дослідження показує, що поліморфізм p53 при кодоні 72 (заміна аргініну на пролін) зменшує активність p53, що корелює із збільшенням тривалості життя, але також з вищим ризиком раку у людей старшого віку (120). Тому існує припущення, що p53 може придушити рак ціною довголіття.
Думка про те, що підвищена активність p53 викликає старіння у мишей, оскаржується нещодавніми дослідженнями моделей мишей з підвищеною активністю p53. Наприклад, миші з гіпоморфною мутацією в Mdm2 демонструють підвищену активність p53, але нормальний термін життя (78). Крім того, миші з додатковою копією p53 та ARF виявляють посилену експресію антиоксидантної активності та зниження рівня ендогенних окисних стресів, що корелює із збільшенням тривалості життя (74). Отже, підвищена антиоксидантна активність p53 у цих трансгенних мишей запобігає накопиченню окисних стресів до високих рівнів, необхідних для індукції р53-залежного апоптозу та старіння, тим самим затримуючи старіння цих мишей. Підсумовуючи, функції p53 при старінні є складними і можуть залежати від контексту. У цьому контексті м’яка і тимчасова активація р53 у відповідь на низькі дози окисного стресу може захистити клітини від окисного пошкодження. Навпаки, стійка активація р53 у відповідь на високий рівень окисного стресу може призвести до загибелі клітин та старіння організму. На подальшу підтримку цього поняття, стійка активація p53 виснажує дорослі стовбурові клітини переважно через p53-залежний апоптоз (64).
Окислювальний стрес та старіння
Гіпотеза про вільні радикали залишається найбільш усталеною теорією механізму старіння (46). Вважається, що збільшене вироблення АФК та знижена антиоксидантна здатність сприяють процесу старіння шляхом окисної модифікації різних макромолекул, таких як ліпіди, білки та геномна ДНК (12, 20, 25, 62, 63, 65, 96, 109, 117). У контексті ДНК у старих щурів та мишей окисне пошкодження мітохондріальної та ядерної ДНК значно збільшується в різних тканинах (20, 45, 61, 67, 76, 82, 116). Рівні продуктів перекисного окислення ліпідів також збільшуються зі старінням (44, 83, 87, 97, 108, 113, 119, 123). Крім того, пов'язана зі старінням окисна модифікація різних білків викликає зміни в структурі білка, активності ферментів, транскрипційній активності та шляхах передачі сигналів (32, 70, 103, 111, 112, 124), що призводить до вікових захворювань. Підводячи підсумок, рівні окисної шкоди підвищуються під час старіння в різних організмах, включаючи C. elegans (11, 52, 121), мух (3, 64) та мишей (22, 74, 79).