p53 mRNA在DNA损伤条件下展现核糖开关样特征：一种新型翻译调控机制及其在癌症中的意义

本研究揭示了p53 mRNA在DNA损伤应答中具有类似原核生物核糖开关的特征。研究人员发现其保守的BOX-I茎环结构作为适体调控下游MDM2结合平台的形成，ATM激酶激活的MDMX作为RNA分子伴侣指导这一构象变化。癌症相关的同义突变CASM22特异性破坏该结构，抑制p53合成，但不影响未折叠蛋白反应途径的p53/47亚型表达。该发现为理解真核生物mRNA结构调控翻译提供了新范式。

　　

在分子生物学研究领域，RNA结构的动态变化如何调控基因表达一直是个引人入胜的话题。虽然原核生物中的核糖开关机制已被广泛研究，但真核生物特别是哺乳动物细胞中是否存在类似机制仍知之甚少。p53作为最重要的肿瘤抑制因子，在超过50%的人类癌症中发生突变，其活性受到严格调控。MDM2是p53的关键负调控因子，但在DNA损伤条件下，ATM激酶对MDM2 Ser395的磷酸化反而促进p53合成，这一看似矛盾的现象背后机制尚未阐明。

更令人困惑的是，癌症中常见的同义突变（特别是密码子22的CUA>CUG突变，称为CASM22）虽然不改变p53蛋白序列，却与不良预后相关。前期研究表明CASM22阻止DNA损伤条件下p53的激活，暗示mRNA结构可能在这一过程中发挥关键作用。这些发现引出了一个重要问题：p53 mRNA是否具有类似核糖开关的特征，通过构象变化响应DNA损伤信号，从而调控自身翻译？

为了回答这个问题，Chen等人开展了一项综合研究，成果发表在《iScience》期刊上。研究人员运用了多种前沿技术：高通量细胞内RNA结构探测技术SHAPE-MaP分析mRNA构象变化；计算建模工具预测RNA三维结构；RNA共免疫沉淀和凝胶迁移实验验证RNA-蛋白质相互作用；体外转录制备RNA样品；邻近连接 assay检测MDM2与核糖体的相互作用。这些方法的结合使得他们能够在细胞内外多个层面验证p53 mRNA的结构特征和功能。

The highly conserved stem-loop structure within the p53 mRNA coding sequence controls a compact downstream MDM2-binding platform and p53 expression

研究人员首先关注p53 mRNA编码序列前240个核苷酸的结构特征。他们发现加入游离的BOX-I RNA寡核苷酸（+45至+83位点）后，p53 mRNA（+1至+240）与MDM2（S395D）的结合增加了约60倍，但当使用仅包含前120个核苷酸的p53 mRNA时，这种增强效应消失。令人惊讶的是，凝胶迁移实验显示BOX-I寡核苷酸使p53 mRNA迁移速率加快，表明形成了更紧凑的结构。这种变化在CASM22突变体中消失，而通过引入密码子41的补偿突变（双突变体DM）可恢复该现象。细胞实验中，加入BOX-I寡核苷酸能显著诱导野生型p53表达，但对CASM22突变体无效。

The CASM22 single-nucleotide mutation stabilizes the p53 mRNA structure

通过SHAPE-MaP技术分析细胞内RNA结构，研究人员发现CASM22单核苷酸突变显著改变了p53 mRNA的全局结构。CASM22的SHAPE反应性百分比从野生型的40.7%降至35.7%，表明结构更加稳定。计算模型显示自由能降低约6.7%，溶剂可及表面积减少，这些变化主要发生在+120位点下游区域。三维结构建模进一步证实CASM22突变导致RNA构象更加紧凑，可能与功能异常相关。

The BOX-I aptamer controls the folding of the downstream MDM2-binding platform

深入分析显示，BOX-I适体在DNA损伤条件下保持结构稳定，其SHAPE反应性在正常条件和DNA损伤条件下无显著差异。然而，下游区域的结构稳定性依赖于细胞因子。杂交实验（体内-体外）表明，去除蛋白质后，下游区域结构变得更加灵活，但BOX-I适体结构保持不变。这表明BOX-I适体在基因毒性应激中不与细胞因子相互作用，但其对下游MDM2结合平台的形成起关键调控作用。

MDM2 promotes the interaction between the p53 mRNA and the ribosome

研究人员利用TriM p53 mRNA（密码子17、18和19的同义突变）这一特殊工具，发现ATM激酶的主要作用是通过促进p53 mRNA-MDM2复合物形成来介导p53合成，而不需要其他ATM依赖性事件。邻近连接实验表明，野生型p53 mRNA在DNA损伤条件下促进MDM2与核糖体的相互作用，而TriM mRNA在正常条件下促进该相互作用，在DNA损伤条件下则不能。

CASM22 targets BOX-I aptamer function

值得注意的是，CASM22特异性靶向p53的DNA损伤应答，而不影响未折叠蛋白反应（UPR）途径。用衣霉素处理细胞诱导UPR时，CASM22不影响p53/47亚型的表达，表明该突变特异性破坏DNA损伤应答中的MDM2结合结构，凸显了p53 mRNA在不同信号通路响应中的动态性。

研究结论表明，p53 mRNA在DNA损伤应答中展现出类似核糖开关的特征，其保守的BOX-I适体控制下游MDM2结合平台的形成。ATM激酶通过磷酸化激活MDMX（作为RNA分子伴侣）和MDM2（作为翻译刺激因子），协同确保p53合成与基因毒性应激响应同步。与原核生物核糖开关不同，p53 mRNA开关位于编码序列内，由信号通路而非代谢物控制，且涉及更长的序列以容纳多种应激响应功能。

讨论部分强调，p53 mRNA在管理编码蛋白功能中的作用可能反映了更广泛的机制，即哺乳动物核糖开关样结构通过响应信号通路来控制基因表达和蛋白活性。同义突变可能特异性靶向这类结构，为理解癌症发生提供了新视角。研究的局限性在于未能获得BOX-I+240 nt±MDM2（S395D）复合物的三维结构，但这为未来研究留下了空间。

这项研究的重要意义在于揭示了真核生物mRNA通过构象变化调控翻译的新机制，为理解同义突变在癌症中的作用提供了结构基础，也为开发靶向RNA结构的治疗策略提供了新思路。p53 mRNA作为信号感应器、结构调控器和功能决定者的多重角色，重新定义了我们对肿瘤抑制因子调控复杂性的认识。