P53

1. 개요

p53은 인간의 17번 염색체에 위치한 유전자이자, 다양한 항암 작용 메커니즘을 가진 종양 억제 유전자이다. DNA 손상 시 DNA 복구, 세포 주기 정지, 세포 사멸 유도 등의 기능을 수행하며, 줄기 세포 유지 및 혈관 신생 억제에도 관여한다. p53은 다양한 스트레스 요인에 반응하여 활성화되며, Mdm2 단백질에 의해 분해되어 항상 낮은 수준으로 유지된다. p53 유전자의 돌연변이는 리-프라우메니 증후군과 같은 질병을 유발하며, 다양한 암에서 발견된다. p53은 여러 단백질과 상호작용하며, 유전자 치료를 통해 암 치료에 활용하려는 연구가 진행되고 있다.

2. 유전좌위

사람의 p53 유전자는 17번 염색체 단완(17p13.1)에 존재한다. 이 유전자는 20 kb에 걸쳐 있으며, 비암호화 엑손 1과 10 kb에 달하는 매우 긴 첫 번째 인트론을 가지고 있어, Hp53int1 유전자와 겹쳐 있다. 암호화 서열은 척추동물에서 보존성이 높은 다섯 개의 영역, 주로 엑손 2, 5, 6, 7, 8에 포함되어 있지만, 무척추동물에서 발견되는 서열은 포유류 TP53과 거리가 먼 유사성을 보일 뿐이다. 완전한 게놈 데이터를 사용할 수 있는 대부분의 포유류에서 TP53 상동 유전자가 확인되었다.

3. 연구사

1979년 아놀드 J. 레빈 등이 종양 바이러스 SV40의 대형 T 항원과 결합하는 단백질로 p53을 처음 발견했다. 1989년 레빈과 버트 보겔스타인 등은 p53 유전자가 암 억제 유전자임을 밝혔다. 2015년 미국 의사 협회 저널에는 코끼리가 사람보다 p53 유전자를 많이 가지고 있어 암 발생률이 낮다는 연구 결과가 발표되었다.

2016년 KAIST 김재경 수리과학과 교수팀과 미국 버지니아 공대 연구팀은 미국국립과학원회보(PNAS)에 세포질과 세포핵 내에서 p53 단백질의 양 조절 메커니즘을 밝힌 연구 결과를 발표하였다. 이 연구에서는 생체시계의 주요 유전자인 period와 관련된 period2 단백질이 p53의 양 조절에 관여한다는 사실이 드러났다.

4. 기능

p53은 다양한 항암 작용 메커니즘을 가지며, 세포자살, 유전체 안정성 유지, 혈관 신생 억제 등의 역할을 한다.

* DNA 손상 복구: DNA가 손상되었을 때, p53은 DNA 복구 단백질을 활성화시킨다. 이는 노화의 중요한 요인이 될 수 있다.
* 세포 주기 정지: DNA 손상이 인지되면, p53은 세포 주기를 G1/S 조절 지점에서 정지시켜 성장을 억제한다. 이를 통해 DNA 복구 단백질이 손상을 복구할 시간을 벌고, 세포는 세포 주기를 계속 진행할 수 있게 된다.
* 세포 사멸 유도: DNA 손상이 복구 불가능한 경우, p53은 세포자살을 유도한다.
* 텔로미어 보호: 짧은 텔로미어에 대한 노화 반응에 필수적이다.

p53은 p21을 비롯한 여러 유전자의 발현을 조절한다. p21은 G1기-S기/CDK 복합체에 결합하여 활성을 억제하고, 세포 주기를 정지시킨다. 돌연변이 p53은 DNA 결합 능력이 손상되어 p21을 통한 세포 주기 정지 기능을 수행할 수 없다.

p53은 RB1 경로와 상호작용하며, 백혈병 억제 인자(LIF)를 조절하여 포유류의 착상을 돕는다. 또한, 자외선에 의해 활성화되어 피부를 태양으로부터 보호하는 태닝 반응을 유도한다.

p53은 전사 인자로 작용하여 Gadd45, PPM1D, MDM2, p21CIP1/WAF1, BAX, 14-3-3δ 등 다양한 유전자의 발현에 관여한다.

p53은 생체시계의 주요 유전자인 period와 관련된 period2 단백질의 양을 조절한다.

4.1. 줄기 세포

p53의 수준은 발생 과정과 인간의 남은 생애 동안 줄기 세포 유지에 중요한 역할을 한다.

인간 배아 줄기 세포(hESC)에서 p53은 낮은 비활성 수준으로 유지된다. 이는 p53의 활성화가 hESC의 급격한 분화를 유발하기 때문이다. 연구에 따르면 p53을 제거하면 분화가 지연되고, p53을 추가하면 자발적인 분화가 일어나 p53이 hESC의 분화를 촉진하고 분화 조절자로서 세포 주기에 중요한 역할을 한다는 것을 보여준다. p53이 hESC에서 안정화되고 활성화되면 p21을 증가시켜 더 긴 G1기를 설정한다. 이것은 일반적으로 S기 진입을 없애 G1기에서 세포 주기를 멈추고 분화를 유도한다. 그러나 최근 생쥐 배아 줄기 세포 연구에서는 P53의 발현이 반드시 분화를 유발하지는 않는다는 것을 보여주었다. p53은 또한 miR-34a 및 miR-145를 활성화하여 hESC의 다능성 인자를 억제하여 분화를 더욱 촉진한다.

성체 줄기 세포에서 p53 조절은 성체 줄기 세포 틈새에서 줄기 세포성을 유지하는 데 중요하다. 저산소증과 같은 기계적 신호는 저산소 유도 인자, HIF-1α 및 HIF-2α를 통해 이러한 틈새 세포에서 p53의 수준에 영향을 미친다. HIF-1α는 p53을 안정화시키고, HIF-2α는 p53을 억제한다. p53의 억제는 암 줄기 세포 표현형, 유도 만능 줄기 세포 및 블라스테마 형성과 같은 다른 줄기 세포 역할과 행동에 중요한 역할을 한다. p53 수준이 감소한 세포는 정상 세포보다 훨씬 더 높은 효율로 줄기 세포로 재프로그래밍되는 것으로 나타났다. 논문에 따르면 세포 주기 정지 및 세포 사멸의 부재는 더 많은 세포에게 재프로그래밍될 기회를 제공한다. p53의 감소된 수준은 또한 도롱뇽 다리에서 블라스테마 형성에 중요한 측면으로 나타났다. p53 조절은 줄기 세포와 분화된 줄기 세포 상태 사이의 장벽, 그리고 줄기 세포가 기능적인 상태와 암 상태 사이의 장벽 역할을 하는 데 매우 중요하다.

4.2. 혈관 신생 억제

p53은 조직 수준에서 혈관 신생을 억제하여 항암 효과를 나타낸다. 종양이 성장하기 위해서는 새로운 혈관이 필요하다. p53은 다음의 방법으로 신생 혈관 생성을 억제한다.

* (i) 종양 저산소증 조절에 간섭하여 혈관 신생에 영향을 미치는 HIF1 및 HIF2를 억제한다.
* (ii) 혈관 신생 촉진 인자의 생산을 억제한다.
* (iii) 아레스텐과 같은 혈관 신생 억제제의 생성을 직접 증가시킨다.

5. 조절

p53은 세포 스트레스 감지기 역할을 한다. p53은 DNA 손상(UV, IR, 과산화수소와 같은 화학 물질에 의해 유도됨), 산화 스트레스, 삼투압 쇼크, 리보뉴클레오티드 고갈, 바이러스성 폐렴 및 조절되지 않는 종양 유전자 발현을 포함한 다양한 스트레스 요인에 반응하여 활성화된다. 활성화는 두 가지 주요 사건으로 특징지어진다. 첫째, p53 단백질의 반감기가 급격히 증가하여 스트레스 받은 세포에서 p53이 빠르게 축적된다. 둘째, 입체 구조 변화는 p53이 이러한 세포에서 전사 조절 인자로 활성화되도록 한다. p53 활성화를 유도하는 중요한 사건은 N-말단 도메인의 인산화이다. N-말단 전사 활성화 도메인은 다수의 인산화 부위를 포함하며, 스트레스 신호를 전달하는 단백질 키나제의 주요 표적으로 간주될 수 있다.

p53의 전사 활성화 도메인을 표적으로 하는 단백질 키나제는 크게 두 그룹으로 나눌 수 있다. 첫 번째 그룹은 MAPK 계열(JNK1-3, ERK1-2, p38 MAPK)에 속하며 막 손상, 산화 스트레스, 삼투압 쇼크, 열 쇼크 등과 같은 여러 유형의 스트레스에 반응한다. 두 번째 그룹(ATR, ATM, CHK1 및 CHK2, DNA-PK, CAK, TP53RK)은 유전자 손상 스트레스에 의해 유발되는 DNA 손상을 감지하고 반응하는 분자 연쇄 반응인 게놈 무결성 검사점에 관여한다. 종양 유전자는 p14ARF 단백질에 의해 매개되는 p53 활성화를 자극한다.

스트레스를 받지 않은 세포에서 p53 수준은 Mdm2(사람에서는 HDM2라고도 함)에 의해 낮게 유지된다. Mdm2는 p53에 결합하여 p53의 작용을 방지하고 세포 핵에서 세포질로 수송한다. Mdm2는 유비퀴틴 연결 효소로 작용하여 유비퀴틴을 p53에 공유 결합시키고, p53을 프로테아좀에 의한 분해 표적으로 삼는다. p53의 유비퀴틴화는 가역적이다. p53이 활성화되면 Mdm2도 활성화되어 피드백 루프를 설정한다. p53 수준은 특정 스트레스에 반응하여 진동 (반복적인 펄스)을 보일 수 있으며, 이러한 펄스는 세포가 스트레스에서 살아남을지 또는 죽을지를 결정하는 데 중요할 수 있다.

MI-63은 MDM2에 결합하여 p53의 기능이 억제된 상황에서 p53을 재활성화한다.

USP7(HAUSP)은 p53에서 유비퀴틴을 절단하여 유비퀴틴화 경로를 통해 프로테아좀 의존적 분해로부터 p53을 보호한다. 이는 종양 유전자 공격에 반응하여 p53이 안정화되는 한 가지 방법이다. USP42 또한 p53의 탈유비퀴틴화를 하며, p53이 스트레스에 반응하는 능력에 필요할 수 있다.

HAUSP는 주로 핵에 국한되어 있지만, 일부는 세포질과 미토콘드리아에서도 발견될 수 있다. HAUSP 과발현은 p53을 안정화시킨다. HAUSP 고갈은 p53 수준의 감소를 초래하지 않고, HAUSP가 Mdm2에 결합하여 탈유비퀴틴화를 하기 때문에 p53 수준을 증가시킨다. 스트레스를 받지 않은 세포에서 HAUSP는 p53보다 Mdm2에 더 나은 결합 파트너이다.

USP10은 스트레스를 받지 않은 세포에서 세포질에 위치하여 세포질 p53의 탈유비퀴틴화를 하고 Mdm2 유비퀴틴화를 역전시킨다. DNA 손상 후 USP10은 핵으로 전위하여 p53 안정성에 기여한다. USP10은 Mdm2와 상호작용하지 않는다.

단백질 키나제에 의한 p53 N-말단 인산화는 Mdm2 결합을 방해한다. Pin1과 같은 다른 단백질은 p53으로 동원되어 p53의 입체 구조 변화를 유도하여 Mdm2 결합을 더욱 방지한다. 인산화는 p300 및 PCAF와 같은 전사 공동 활성 인자의 결합을 허용하며, 이들은 p53의 C-말단을 아세틸화하여 p53의 DNA 결합 도메인을 노출시켜 특정 유전자를 활성화하거나 억제할 수 있도록 한다. Sirt1 및 Sirt7과 같은 탈아세틸화 효소는 p53을 탈아세틸화하여 세포 사멸 억제를 유발할 수 있다. 일부 종양 유전자는 MDM2에 결합하여 그 활성을 억제하는 단백질의 전사를 자극할 수 있다.

히스톤 메틸화와 같은 후성 유전적 표지도 p53을 조절할 수 있다. 예를 들어, p53은 후성 유전적으로 억제된 게놈 영역에서 히스톤에 결합하는 억제성 Trim24 공동 인자와 직접 상호 작용한다. Trim24는 p53이 표적을 활성화하는 것을 방지하지만, 이러한 영역에서만 p53이 주요 표적 유전자에서 히스톤 프로파일을 '판독'하고 유전자 특이적인 방식으로 작용하는 능력을 효과적으로 제공한다.

6. 질병과의 관련성

TP53 유전자가 손상되면 종양 억제 기능이 심각하게 저하된다. TP53 유전자의 기능적 사본을 하나만 상속받는 사람은 리-프라우메니 증후군이 발생한다. 인간 종양의 50% 이상이 TP53 유전자의 돌연변이 또는 결실을 포함한다. p53의 손실은 이수배수성 표현형을 초래하는 게놈 불안정성을 생성한다.

TP53 유전자는 돌연변이 유발 물질(화학 물질, 방사선, 또는 바이러스)에 의해 변형될 수 있으며, 이는 통제되지 않는 세포 분열의 가능성을 증가시킨다. 특정 병원체는 TP53 유전자가 발현하는 p53 단백질에 영향을 미칠 수 있다. 인간 유두종 바이러스(HPV)는 p53 단백질에 결합하여 비활성화하는 단백질인 E6을 암호화한다.

6.1. p53 변이와 암

p53은 세포자살, 유전체 안정성에 관여하며 혈관 신생을 억제하는 등 다양한 항암 작용 메커니즘을 가진 단백질이다. p53은 DNA 손상 시 DNA 수선 단백질을 활성화하고, 세포주기를 G1/S 단계에서 정지시키며, 손상이 복구 불가능할 경우 세포자살을 유도한다.

활성화된 p53은 DNA에 결합하여 miR-34a microRNA를 포함한 여러 유전자를 발현시킨다. WAF1/CIP1에 의해 암호화되는 p21은 G1-S/CDK 및 S/CDK 복합체에 결합하여 세포주기 진행을 억제한다. p53 유전자에 돌연변이가 발생하면 DNA 결합 능력이 저하되어 세포주기 정지 신호를 제대로 전달하지 못하게 된다.

최근 연구에서는 p53과 망막아세포종 단백질(RB1) 경로 간의 연관성이 밝혀졌다. 또한, p53은 백혈병 억제 인자(LIF)를 조절하여 쥐 모델에서 이식을 용이하게 하며, 인간에게도 적용 가능성을 시사한다. p53 발현은 DNA 손상을 유발하는 자외선에 의해 자극될 수 있으며, 이는 선탠을 유발하는 기전 중 하나이다.

인간에서는 엑손 4의 코돈 72번 위치에서 아르기닌이 프롤린으로 치환되는 다형성이 흔하게 나타난다. 이 변이와 암 감수성 간의 연관성에 대한 연구는 논란이 있지만, 일부 연구에서는 특정 암(췌장암, 유방암, 비구강인두암, 폐암 등) 위험과의 연관성을 보고하기도 했다. 그러나 대장암 및 자궁내막암과의 연관성은 발견되지 않았다.

TP53 유전자 돌연변이는 다양한 암 표현형을 유발할 수 있으며, 이는 p53 단백질의 다양한 이소형이 암 예방에 대해 서로 다른 세포 메커니즘을 가지기 때문이다. 돌연변이는 서로 다른 이소형을 생성하여 세포 메커니즘을 방해하고, 암 표현형을 다양하게 만든다. TP53 돌연변이는 에너지 대사에도 영향을 미쳐 유방암 세포에서 해당 작용을 증가시킨다.

p53 단백질과 그 길항제인 Mdm2의 역학 관계는 p53 농도가 시간에 따라 진동함을 보여준다. 이러한 진동은 임상적으로 문서화되고 수학적으로 모델링되었다.

악성 종양의 절반 이상에서 p53 유전자 변이 또는 결실이 발견되며, 대부분은 점 돌연변이이다. p53 유전자 손상은 세포의 세포자멸사 유도를 어렵게 만든다. 예를 들어, 폐암에서는 담배의 벤조피렌이라는 발암 물질, 간세포암에서는 땅콩 곰팡이가 생산하는 아플라톡신 등이 p53 유전자 변이를 유발한다.

p53 유전자 변이는 항 p53 항체 출현과 상관관계가 있으며, 일본에서는 항 p53 항체 측정 검사가 특정 암(식도암, 대장암, 유방암) 의심 시 건강 보험 적용을 받는다.

7. 유전자 치료

p53 유전자의 기능을 활용하여 암 치료에 응용하려는 연구가 진행되고 있다. 특히 아데노바이러스 등을 이용한 p53 유전자 도입 치료법은 암세포의 아포토시스를 유도하고, 화학 요법이나 방사선 치료의 효과를 높이는 것을 목표로 한다. p53 유전자에 변이가 있으면 DNA 손상이 발생해도 세포 사멸이 잘 일어나지 않아, p53 유전자 변이를 가진 암은 약물이나 방사선 치료에 저항성을 보인다.

8. 구조

p53은 7개의 도메인을 가지고 있다.

1. 산성 N-말단 전사 활성화 도메인(TAD)은 활성 도메인 1(AD1)이라고도 불리며, 전사 인자를 활성화한다. N-말단은 두 개의 보완적인 전사 활성화 도메인을 포함하며, 주요 도메인은 잔기 1–42에, 부도메인은 잔기 55–75에 위치하며, 여러 전-세포사멸 유전자의 조절에 특이적으로 관여한다.
2. 세포자멸사 활성에 중요한 활성 도메인 2(AD2): 잔기 43–63.
3. 프롤린이 풍부한 도메인은 MAPK를 통한 핵 수출을 통해 p53의 세포사멸 활성에 중요: 잔기 64–92.
4. 중심 DNA 결합 코어 도메인(DBD). 하나의 아연 원자와 여러 아르기닌 아미노산을 포함한다: 잔기 102–292. 이 영역은 p53 코-억제제 LMO3의 결합을 담당한다.
5. 핵 국소화 서열 (NLS) 도메인, 잔기 316–325.
6. 호모-올리고머화 도메인(OD): 잔기 307–355. 사합체화는 생체 내 p53의 활성에 필수적이다.
7. C-말단은 중심 도메인의 DNA 결합 하향 조절에 관여: 잔기 356–393.

SDS-PAGE 분석에 따르면 p53은 53-킬로달톤 (kDa) 단백질이다. 그러나 아미노산 잔기의 질량 합계를 기준으로 한 전체 길이 p53 단백질(p53α)의 실제 질량은 단지 43.7kDa이다. 이러한 차이는 단백질 내의 프롤린 잔기 수가 많아 SDS-PAGE에서 이동 속도가 느려 실제보다 더 무거워 보이는 것 때문이다.

9. 이소형

TP53 유전자는 다양한 스플라이싱 방식을 통해 12개 이상의 서로 다른 p53 이소형(isoform)을 생성한다. 이 단백질들은 3.5에서 43.7 kDa 크기로 다양하다. 2005년에 여러 이소형이 발견되었고, 현재까지 12개의 인간 p53 이소형(p53α, p53β, p53γ, ∆40p53α, ∆40p53β, ∆40p53γ, ∆133p53α, ∆133p53β, ∆133p53γ, ∆160p53α, ∆160p53β, ∆160p53γ)이 확인되었다. 이소형들은 조직 특이적으로 발현되며, p53α는 단독으로 발현되지 않는다.

전체 길이의 p53 이소형은 여러 단백질 도메인으로 구성된다. N-말단에는 아미노 말단 전사 활성화 도메인(TAD 1, TAD 2)이 있고, p53 표적 유전자 발현에 관여한다. 다음으로 프롤린이 풍부한 도메인(PXXP)이 반복되는(P는 프롤린, X는 임의의 아미노산) 프롤린 풍부 도메인이 오며, 이는 p53 매개 세포자멸사에 필요하다. Δ133p53β,γ 및 Δ160p53α,β,γ와 같은 일부 이소형은 이 도메인이 없어 세포자멸사를 매개하지 않는다. 이어서 서열 특이적 결합을 위한 DNA 결합 도메인(DBD)이 온다. C-말단 도메인에는 핵 국소화 신호(NLS), 핵 수출 신호(NES), 올리고머화 도메인(OD)이 있다. NLS와 NES는 p53의 세포 내 위치 조절에 관여하고, OD는 p53의 사합체 형성과 DNA 결합을 돕는다. 이소형들은 일부 도메인이 없을 수 있지만, 대부분 고도로 보존된 DNA 결합 도메인을 공유한다.

이소형은 다양한 메커니즘으로 형성된다. 인트론 9의 다중 스플라이싱은 베타 및 감마 이소형을 생성하여 다른 C-말단을 만든다. 인트론 4의 내부 프로모터 사용은 TAD 도메인과 DBD 일부가 없는 ∆133 및 ∆160 이소형을 유발한다. 코돈 40 또는 160에서의 번역 개시는 ∆40p53 및 ∆160p53 이소형을 생성한다.

p53 단백질의 이소형 특성 때문에, TP53 유전자 내 돌연변이는 돌연변이된 이소형을 생성하여, TP53 유전자의 단일 돌연변이가 다양한 암 표현형을 유발할 수 있다.

10. 상호작용

p53은 여러 단백질과 상호작용하는 것으로 알려져 있다. 다음은 p53과 상호작용하는 단백질 목록이다.