p53的代谢调节

摘要

p53在细胞代谢中的新作用

控制细胞代谢是正常细胞行为的关键要求，异常细胞代谢在疾病关节癌中的作用越来越明显。因此，毫不奇怪，肿瘤抑制因子p53（细胞对应激反应的关键参与者）正在成为细胞代谢的重要调节因子。p53是一种转录因子，对细胞的许多外部和内部挑战作出反应，包括DNA损伤、癌基因激活和缺氧，以根据应激的类型、严重程度和持续性促进各种反应[1]. 通过促进DNA修复和激活凋亡或衰老，p53激活是防止异常细胞积聚的有效机制，特别是那些具有遗传性DNA损伤的细胞，从而防止肿瘤形成。事实上，大多数癌症都失去了p53的功能，这突出了p53作为肿瘤抑制剂的重要性。然而，随着p53在正常细胞内稳态和癌细胞内稳态中的作用被揭示，受p53影响的细胞过程的多样性越来越明显，传统观点认为p53只是一种肿瘤抑制剂，这一观点受到了挑战。

p53对营养不足的反应能力与p53作为应激介质的既定功能相一致。然而，与其他p53激活信号相比，p53依赖性代谢应激反应的要求可能有很大不同。虽然损伤可能会向p53发出可遗传的遗传变化信号，以消除受影响的细胞，但代谢应激更可能需要适应性反应。如果不加控制，DNA损伤不太可能自发解决，而简单的营养恢复可以迅速使饥饿的细胞恢复到完全健康状态，从而对营养缺乏做出更微妙的反应。p53是细胞处理代谢波动能力的一个重要组成部分，它既有助于平衡增殖和生长与营养物质的可利用性，也有助于限制进一步损伤的积累，最终促进细胞存活。

p53对代谢途径的控制

代谢控制的基本途径已经建立，但其调控的复杂性仍在揭示中。p53已被证明有助于控制许多这些途径，一个新的主题是，p53可以促进分解代谢途径的使用，从而在限制营养素期间维持能量生产，从而维持细胞生存能力。p53的这些活性与改善氧化应激同时抑制细胞生长和细胞周期进展的p53功能很好地相互交叉，从而建立对短暂饥饿期的协调和多方面的反应。

葡萄糖代谢

葡萄糖是大多数细胞的主要能量来源，为能量的生成（ATP）和各种合成代谢途径的代谢物提供能量[2,三]. 糖酵解每葡萄糖产生两个ATP分子，以及丙酮酸，丙酮酸可以转移到三羧酸（TCA）循环以进一步产生能量。或者，糖酵解中间体可以从能量生产转移到合成代谢途径。磷酸戊糖途径（PPP）的氧化臂是NADPH的重要来源，用于抗氧化功能和脂质合成，并为从头核苷酸生物合成提供前体，而己糖胺途径提供底物以允许蛋白质和脂质糖基化。有氧条件下糖酵解速率的提高会促进合成代谢和细胞增殖，这是干细胞的一个特征[4]和许多癌症[5]. p53在调节糖代谢中起着重要作用。

一些研究发现，p53可以通过多种机制限制糖酵解通量。p53通过直接抑制基因表达降低葡萄糖转运蛋白的表达[6]或更间接地，通过抑制NF-κB[7,8]. p53抑制胰岛素受体启动子的能力为p53限制葡萄糖进入细胞提供了另一种机制[9]. p53对磷酸甘油酸变位酶（PGM）的负调控（通过控制蛋白质稳定性，而不是直接影响转录）也会降低糖酵解速率并抑制转化[4].第53页-诱导糖酵解和凋亡调节剂（TIGAR）作为果糖-2,6-二磷酸酶发挥作用，限制磷酸果糖激酶1（PFK1）的活性，从而降低糖酵酵解速度，促进糖酵化中间产物向PPP的转移[10]（图1). 碳水化合物反应元件结合蛋白（ChREBP）的基础表达促进有氧糖酵解，通过刺激脂质和核苷酸的生物发生来支持细胞增殖。p53缺陷细胞中ChREBP水平升高，表明基础p53水平抑制ChREBP[11].

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图1

葡萄糖代谢中的p53信号。p53可以抑制葡萄糖转运蛋白GLUT1和GLUT4的转录（并通过NFκB抑制GLUT3）以及胰岛素受体来抑制细胞葡萄糖摄取。通过TIGAR的转录激活，p53可以抑制糖酵解速率并增加糖酵化中间产物向PPP的转移。p53还可以通过促进磷酸甘油变位酶（PGM）的降解来抑制糖酵解。通过激活己糖激酶II（HK II）的转录，p53可以刺激糖酵解。苹果酸脱氢酶（MDH1）是连接糖酵解和线粒体呼吸的苹果酸/天冬氨酸梭的一部分；MDH1结合并调节p53的活性

总的来说，有令人信服的证据表明，p53可能是糖酵解的负调控因子，尽管也有证据表明p53可以增强这一途径中的某些步骤。p53激活心肌细胞中PGM肌肉亚型（PGM-M）的转录[12]己糖激酶II（HK2）催化糖酵解的第一步，受p53应答启动子控制[13]. p53对糖酵解途径的影响可能与细胞和环境密切相关，但值得注意的是，TIGAR和HK2活性的联合作用可以进一步增强PPP糖酵化中间产物的供应，其后果将在下文中讨论。细胞质苹果酸脱氢酶1（MDH1）通过促进NADH等价物（由糖酵解生成）运输到线粒体中，从而将糖酵分解与OXPHOS联系起来，线粒体可用于生成ATP[14,15]. 在葡萄糖饥饿期间，MDH1与p53相互作用，调节其转录反应[16]. 这种相互作用提供了从葡萄糖代谢到p53的直接信号，并完成了能量代谢和p53之间的相互信号循环。

线粒体呼吸

在正常的有氧条件下，糖酵解产生的丙酮酸可作为一种通过氧化磷酸化（OXPHOS）生成ATP的有效机制被输入线粒体TCA循环。然而，与糖酵解一样，TCA循环的中间产物也可以转移到合成代谢途径中，以促进细胞生长和增殖，这一过程在许多癌症中得到增强[三,17]. 与糖酵解抑制相配合，p53已被证明通过包括细胞色素c氧化酶2（SCO2）合成的转录激活机制促进OXPHOS，SCO2是复合物IV的调节器[18]，复合物IV自身的亚基1[19]线粒体凋亡诱导因子蛋白（AIF），它对线粒体复合物I功能至关重要[20,21]（图2). 因此，p53似乎倾向于利用TCA循环进行能量生产，同时限制糖酵解通量。这些功能将在营养缺乏的条件下最大限度地提高能量生产，同时反对代谢转变为支持大多数癌细胞生长的需氧糖酵解（Warburg效应）。此外，p53通过保护线粒体DNA完整性和维持线粒体质量在线粒体稳态中发挥作用[22,23]通过包括核糖核苷酸还原酶p53R2激活的机制[22,24]以及定位于线粒体的p53的直接作用[25].

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图2

p53和线粒体呼吸。基础p53水平转录激活细胞色素氧化酶2（SCO2）和凋亡诱导因子（AIF）的合成，支持线粒体呼吸链复合物I、III和IV的功能，并直接作用于复合物IV亚基1。p53转录激活谷氨酰胺酶2（GLS2），该酶催化谷氨酰胺转化为谷氨酸。p53通过胍基乙酸转氨酶（GAMT）的转录激活以及可能的其他机制调节FAO

自噬

在缺乏足够的外源营养供应的情况下，自噬（即大自噬）——细胞器和蛋白质的受控溶酶体降解过程——可以补充代谢储备并促进细胞存活[35]. 有趣的是，已经证明p53既促进又抑制自噬[33,36–38]. 最近的证据表明，增强或抑制自噬的能力（通过调节自噬蛋白LC3）允许p53信号在营养缺乏期间提供最合适的细胞生存策略[39]. 因此，自噬率低的细胞在饥饿状态下表现出p53依赖性自噬增加，而自噬速率高的细胞在相同条件下表现出依赖于p53的自噬减少——这两种情况的最终结果都是促进细胞存活[39].

氧化应激和抗氧化反应

活性氧（ROS）在正常代谢过程中不断产生（尤其是OXPHOS），虽然低水平的ROS可以促进生殖，但过量的ROS会破坏DNA和蛋白质，可能导致衰老、心脏病、癌症和其他病理[40]. 细胞参与一系列途径来消除活性氧，或调节活性氧水平以促进基本的细胞任务，如凋亡。虽然对p53的凋亡反应与p53依赖的活性氧升高有关，但p53的基础表达会驱动一些抗氧化反应，从而限制氧化应激。p53诱导一系列抗氧化靶点，如GPX1、MnSOD、ALDH4和TPP53INP1[41,42]. TIGAR将葡萄糖-6-磷酸转移到氧化PPP中产生NADPH，NADPH在抗氧化剂还原型谷胱甘肽（GSH）的生成中起协同作用[10]. 依赖p53的GLS2表达诱导上调谷胱甘肽前体谷氨酸的生成，再次促进抗氧化活性[28,29]. Sestrins，一个参与ROS调节的应激反应蛋白家族[43]，也被p53诱导。

很可能在正常条件下（可被视为提供基本水平的氧化应激）或轻度应激下，p53增强抗氧化反应，保护细胞免受潜在的氧化损伤，包括p53依赖性OXPHOS激活所产生的氧化损伤。然而，在严重压力下，p53利用其促进活性氧的能力促进细胞凋亡[44].

细胞生长的调节

p53抑制细胞周期进展的能力是首批被鉴定的p53驱动的反应之一[45,46]，这种反应的激活已被证明在葡萄糖缺乏的条件下对细胞存活起着重要作用[47]. 最近的证据表明，p53还可以阻止细胞生长，这说明了p53协调有序应对营养应激的能力的另一个方面。p53在细胞生长调节中的功能反映了与mTOR通路的实质性相互作用，mTOR途径通过感知营养物质的可用性和生长因子信号，并平衡合成代谢和分解代谢过程来协调细胞生长[48].

AMP-activated protein kinase（AMPK）是一种关键的细胞燃料传感器。通过降低ATP:AMP比率激活AMPK的能力检测低能是建立代谢应激反应的关键步骤，包括抑制mTOR和激活p53。AMPK可以通过促进丝氨酸15上的磷酸化来诱导p53，丝氨酸15是已知的对p53活化很重要的位点（尽管p53不一定是AMPK的直接靶点）[47,49,50]. 表达p53并伴有丝氨酸磷酸化位点突变的小鼠表现出代谢应激增加和糖代谢严重缺陷[51]. 在完全没有葡萄糖的情况下长时间培养p53高产细胞会导致p53丝氨酸46磷酸化和p53依赖性凋亡[52]. 这表明p53建立了一个临界点，在这个临界点上，代谢压力变得过于极端，不足以保证生存前反应，可能与丝氨酸46磷酸化有关。mTOR下游的进一步信号也可以通过核糖体S6K向MDM2的信号传导调节p53，MDM2是控制p53稳定性的主要泛素连接酶[53]（图三). 其他核糖体蛋白通过这种途径控制p53的能力[54]也可能在代谢应激反应中发挥关键作用。已经描述了p53在代谢应激反应中被激活的其他机制，包括由抑制二氢鸟酸脱氢酶触发的核苷酸缺乏，二氢鸟氨酸脱氢酶催化线粒体呼吸链连接嘧啶的合成[55].

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图3

p53和IGF-AKT-mTORC1通路之间的信号传导。p53通过AMPK、ATM和mTORC1-S6K-MDM2信号被代谢应激信号激活，并调节能量代谢、细胞周期和自噬。p53可通过PTEN、IGF-BP3、Sestrin1和Sestrin2（SES1/2）、TSC2和AMPKβ的转录激活抑制mTORC1信号传导。p53与LKB1的直接相互作用可能直接导致AMPK激活。虚线表示转录调控，不间断的线条表示直接的蛋白质水平影响，箭头指示激活信号，平头线条指示抑制信号

重要的是，p53和AMPK之间的关系是相互的。基因毒性应激通过AMPK和TSC1/TSC2导致mTOR活性的p53依赖性抑制，从而提示AMPK是通过p53与AMPK激活蛋白LKB1的相互作用对p53激活作出反应而磷酸化的[50]. 最近的一项研究表明，p53转录激活mTOR抑制蛋白AMPKβ、TSC2、IGF-BP3和PTEN，以应对基因毒性应激[56]. p53的抗氧化反应还通过Sestrins抑制mTOR通路，Sestrinss由p53诱导，并可与mTOR途径抑制物AMPK、TSC1和TSC2相互作用[43]. 然而，p53并不总是抑制mTOR对代谢应激的反应[47]这表明蛋白质合成可能有助于代谢重塑。总的来说，p53信号传导和mTOR途径之间的相互作用是显著的[57]，表示这些途径的合作能力（图三).

癌症

虽然Warburg效应被定义为高需氧糖酵解速率，是癌细胞的常见特征，但越来越明显的是，癌症具有不同的代谢特征，许多癌症主要依赖OXPHOS生成ATP[58]. 尽管存在这种多样性，但可以公平地说，快速增殖的癌细胞很可能利用大量葡萄糖来促进合成代谢，并且更有可能表现出Warburg效应[58,59]. 一半以上的癌症都会发生p53失活，从新陈代谢的角度来看，p53信号缺失是一把双刃剑。由于p53抑制糖酵解并促进OXPHOS，其失活有助于促进Warburg效应。另一方面，癌细胞也必须经历代谢适应，p53的缺失会阻碍这一过程。因此，p53缺失最初可能通过Warburg效应推动新陈代谢，支持肿瘤发生，但一旦肿瘤形成，p53缺乏可能会使肿瘤细胞对代谢应激敏感。尽管对细胞系和动物模型的研究支持这些结论，但需要从p53缺陷肿瘤中获得更直接的证据来验证这些预测。我们预计，虽然p53缺失通常有利于有氧糖酵解，但肿瘤的整体代谢特征可能反映了许多因素的组合，包括其他突变、组织起源和微环境的影响。

临床上，p53缺陷细胞无法在代谢应激中生存，可能已经被二甲双胍等抗糖尿病药物的使用无意中利用了。与未服用二甲双胍的糖尿病患者相比，服用二甲双酮的糖尿病患者癌症风险降低[60,61]. 在小鼠中，二甲双胍抑制p53缺乏的异种移植物的生长，但不抑制p53丰富的肿瘤的生长[33]. 在寻找新的抗癌药物时，抗糖尿病药物显然是产生抗p53缺陷肿瘤活性化合物的良好起点。对使用抗糖尿病药物和其他调节细胞代谢的成熟药物治疗的患者的癌症发病率进行额外的回顾性研究似乎也很谨慎。

Nutlins等化合物诱导野生型p53已被用于抑制肿瘤模型中的肿瘤生长[62]. 然而，这种方法可能会在某些肿瘤中增强p53的促生存代谢适应功能。事实上，至少一项研究表明，乳腺癌中野生型p53的存在与治疗反应降低和预后不良有关[63]. 阐明p53协调代谢适应的途径可以在表达野生型p53的癌症中建立新的治疗靶点。简单地说，了解p53高产细胞能做什么（在代谢适应方面）和p53缺乏细胞不能做什么，可以为每种类型的肿瘤提供治疗机会。p53亚型也可能具有促进代谢适应或肿瘤抑制的特定代谢功能，这一可能性值得进一步研究。观察到许多癌症中野生型p53功能的丧失是由肿瘤细胞内的点突变导致的，这进一步增加了复杂性第53页基因，导致突变p53蛋白的表达。虽然这些肿瘤衍生的p53突变体没有表现出野生型p53活性，但它们也被证明具有促进肿瘤侵袭和转移的功能[64]. 尽管尚未完全探索，但这些突变体p53也可能在控制新陈代谢或对新陈代谢应激的反应中表现出新的活性。

老化

p53被认为在衰老过程中具有重要但定义不清的作用，有证据表明p53的表达可以对抗衰老并促进长寿[65]. 促进抗氧化反应和抑制mTOR通路的能力是p53抑制促进衰老过程的明确机制[40,41]. 一种反应更灵敏的p53通路被证明可以延长小鼠的寿命[66]. 因此，有人认为通过MDM2调节增强p53表达可以对抗衰老[65]. 尽管这必须与清楚的证据相平衡，证据表明正常组织中p53的水平稍有升高，会强烈促进衰老[67]. p53控制自噬和衰老的能力也可能在衰老的调节中发挥作用，有趣的是，mTOR活性已被证明与p53协同作用，将p53激活的反应从静止转变为衰老[68–70]. 虽然仍在猜测中，但有趣的是考虑p53表达和mTOR抑制（热量限制的结果）如何协同促进长寿。

其他疾病

最近的一些研究将p53与多种生理过程和疾病联系起来，包括糖尿病、中枢神经系统疾病、肥胖和酒精性肝病。p53在中枢神经系统中的作用通过其转录激活脑表达的环指蛋白（BERP）的能力得到证实，该蛋白与GABA受体相互作用以调节癫痫发作敏感性[71]. p53具有调节apoB和apobec1的能力，有可能调节从肠道到肝脏的脂质转运[72]. 表达不能被丝氨酸-15磷酸化激活的p53突变的小鼠增加了代谢应激和严重的葡萄糖稳态缺陷。动物出现葡萄糖不耐受和胰岛素抵抗，这与抗氧化基因表达减少和胰岛素信号减少有关[51]. p53在脂肪生成和保护脂肪细胞免受脂肪毒性方面也有作用，因此p53被描述为“肥大的守护者”[73]. 在慢性饮酒的大鼠模型中，p53对TIGAR表达和细胞凋亡的调节有助于与肝脏脂肪变性相关的代谢异常[74].

结论

回顾p53在细胞代谢中的作用为p53生物学提供了重要的见解。p53正在成为代谢稳态的关键调节器，这一观察引发了一个更广泛的概念性问题：p53的主要功能是什么？我们现在知道p53具有许多活性，包括抑制肿瘤、代谢控制、维持生育能力和调节干细胞。似乎p53的每一个角色都是相互交织在一起的，这使得很难解开它们，事实上，部分混淆可能是由语义冲突而非生物冲突引起的。然而，p53在大约50%的癌症中发生突变，但在其他50%的癌症中保留为野生型，这一事实使了解p53的存在或不存在如何影响肿瘤发展和治疗反应成为一个诱人且越来越容易实现的目标。此外，p53在细胞内稳态中的作用解释了其参与如此广泛的生理过程和疾病。

致谢

脚注

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