保护基因组：研究人员发现p53蛋白的完整3D结构

肿瘤抑制蛋白p53，被称为“基因组的守护者”，通过触发细胞进行修复或自我毁灭，保护身体的DNA免受日常压力或长期损伤。但是编码这种蛋白质的p53基因的突变会阻止它发挥作用，使错误积累在遗传密码中，导致癌症等疾病。

　　

   

     

 Deb Kelly(左)，生物医学工程教授，结构肿瘤学中心主任，分子生物物理学哈克主席;哈克生命科学研究所分子、细胞和综合生物科学博士生玛丽亚·索拉雷斯站在冷冻电子显微镜机旁边。他们使用低温电镜对从脑肿瘤细胞中分离出来的p53蛋白进行成像。

图源:Jeff Xu/宾夕法尼亚州立大学

肿瘤抑制蛋白p53，被称为“基因组的守护者”，通过触发细胞进行修复或自我毁灭来保护身体的DNA免受日常压力或长期损伤。但是编码这种蛋白质的p53基因的突变会阻止它发挥作用，使错误积累在遗传密码中，导致癌症等疾病。

宾夕法尼亚州立大学领导的研究小组首次利用患者样本发现了p53蛋白的完整结构。他们还研究了突变诱导的p53结构变化如何影响不同的癌症。他们在《化学生物化学》和国际分子科学杂志上发表了他们的研究结果。

宾夕法尼亚州立大学哈克生命科学研究所分子、细胞和综合生物科学博士生玛丽亚·索拉雷斯(Maria Solares)说:“我们定义了p53的全长结构，为理解可用于新疗法的3D排列打开了大门。”她也是这两篇论文的第一作者。“科学家们之前已经确定p53是肿瘤起源的一个重要焦点，并且已经对其在细胞中的功能进行了大量研究。然而，如果不了解p53的完整结构，我们关于如何在患病细胞中处理它的知识是不完整的。”

研究人员使用冷冻电子显微镜(cryo-EM)对从脑肿瘤细胞中分离出来的单个p53蛋白进行成像。Solares说，他们工作的独特之处在于，团队使用半导体材料在成像之前干净地捕获分离的p53蛋白。这些硅基微芯片以这样一种方式保存蛋白质，研究人员可以解析以前未见过的分子特征。

通讯作者、宾夕法尼亚州立大学生物医学工程教授、结构肿瘤学中心主任、分子生物物理学哈克教授德布·凯利说:“看到p53的完整结构就像在长时间只看到有限的部分或四肢之后终于看到了整个人体。”“如果不了解它们的整个物理构成，就很难理解它们是如何工作的。”

p53蛋白由称为单体的单个单元组成，它们结合在一起形成更大的实体，或二聚体和四聚体。

索拉雷斯说:“我们发现癌细胞内存在单体、二聚体和四聚体的混合物，每种物质根据细胞核内发生的事件发挥不同的作用。”“二聚体结构的结果首次揭示了分子的‘封闭’结构。这种形式的p53就像在比赛前的起跑线上，当其他细胞信号通知有问题时，它就会准备好向DNA跑去。”

其他形式的p53，如单体，被认为是“开放的”，因为它们需要与另一个单位结合才能移动到起跑线上执行任务。Kelly认为，适当的通讯对于控制p53部署到DNA所在的细胞核的程度和时间非常重要，而这一过程的中断与包括癌症在内的疾病的起源有关。

凯利说，p53基因的突变会导致p53蛋白不能很好地交流。一旦他们揭示了p53的3D结构，研究人员就研究了p53的结构变化是如何导致分子在细胞内不正常运作的。

“众所周知，一半的癌症都含有p53基因突变，”Solares说。“为了进一步研究这些突变是如何影响p53蛋白结构的，我们使用分子建模软件来模拟p53单体结构的变化。”

研究人员观察了七个“热点”，蛋白质结构的突变最常与癌症相关。Kelly说，p53蛋白的这7个突变通常会导致患者在疾病进展和化疗耐药性方面的结果不太好。

他们发现突变p53的3D结构的轻微变化会影响蛋白质的表面电荷，这些电荷可以排斥和吸引其他分子单位的电荷。Kelly认为，这可能会阻碍蛋白质和DNA之间的正常相互作用，导致p53协助维持健康细胞所必需的调节或修复过程的能力被破坏。

索拉雷斯说:“在健康的情况下，p53利用锌离子紧紧抓住遗传物质。”“当蛋白质的表面电荷保持适当平衡时，锌离子可以处于正确的位置，帮助p53抓住DNA。但是，当p53基因突变导致蛋白质表面发生变化时，锌离子没有被正确放置，p53就失去了对DNA的控制。这种影响在疾病中进一步?加剧。”

在未来，研究人员表示，他们希望将他们的工作扩展到与p53突变密切相关的胰腺癌和卵巢癌。他们还在研究新的治疗方法，这是基于他们对p53完整3D结构的新理解。

“一个病人的癌症和另一个病人的癌症是不一样的，”索拉雷斯说。“我们需要不断收集不同患者和不同癌症的实验数据来测试我们的模型。如果没有完整的图像，我们就无法完全了解癌症。”

除了Solares和Kelly，《化学生物化学》论文的合著者还包括g.m. Jonaid、?William Y. Luqiu、?Samantha Berry、?Janki Khadela、Madison C. Evans和William J. Dearnaley，他们来自宾夕法尼亚州立大学结构肿瘤学中心;以及弗吉尼亚理工大学弗拉林生物医学研究所的梁延平、盛之和凯文·j·皮尔德姆。

在《国际分子科学杂志》的论文中，索拉雷斯和凯利是唯一的作者。

这项研究得到了美国国立卫生研究院、国家癌症研究所和结构肿瘤学中心的支持。

文章标题

Complete Models of p53 Better Inform the Impact of Hotspot Mutations