p53の量と活性の調節；細胞運命決定におけるp53の役割

🧠 p53の物語は「普段はMdm2という処刑人に絶えず狙われて即座に分解される不安定なタンパク質」が「DNADNA（deoxyribonucleic acid）損傷というシグナルによってその処刑人から逃れ、蓄積し、四量体tetramer 四量体（tetramer）tetramer（四量体） として覚醒する」という一つの筋書きである（詳細な調節機構 regulatory mechanisms 調節機構（regulatory mechanisms） regulatory mechanisms（調節機構） は51-molecular-sensors-detecting-dna-damage-and-completion-of-dna-replication-during参照）。 そして覚醒したp53はまず「修復のための時間稼ぎ」（G1停止）を選ぶが、損傷が修復不能なら方針転換し、PUMA・NOXAを介してBak/Bax経路を、PIDDソームを介してカスパーゼ2経路を、IAP阻害因子の放出を介してカスパーゼカスケード The caspase cascade カスパーゼカスケード（The caspase cascade） The caspase cascade（カスパーゼカスケード） 全体を、同時多発的に起動してアポトーシスへ舵を切る——「まず待つ、だめなら殺す」という二段構えの意思決定者としてp53を捉えるのがこの単元の核心である。

p53とは

p53は腫瘍抑制タンパク質であり、DNA損傷、オンコジーンoncogene オンコジーン（oncogene）oncogene（オンコジーン） の侵襲、ストレスに応答して活性化される。DNA損傷がある場合に細胞増殖を制限する機能を持つ。

💡 p53を片方のアレルで生まれつき失うとどうなるかが、この蛋白質の重要性を最もよく示す。 TP53の生殖細胞系列変異 germline mutation 生殖細胞系列変異（germline mutation） germline mutation（生殖細胞系列変異） は常染色体優性遺伝 autosomal dominant, AD 常染色体優性遺伝（autosomal dominant, AD） autosomal dominant, AD（常染色体優性遺伝） のLi-Fraumeni症候群Li-Fraumeni syndromeLi-Fraumeni症候群（Li-Fraumeni syndrome）Li-Fraumeni syndrome（Li-Fraumeni症候群）を起こし、乳癌・肉腫をはじめとする多彩な小児／成人腫瘍を若年で多発させる。1990年に報告された最初の解析では、対象となったLi-Fraumeni家系5家系すべてでp53の生殖細胞系列変異 germline mutation 生殖細胞系列変異（germline mutation） germline mutation（生殖細胞系列変異） が見つかった¹。

ストレスのない細胞におけるp53の自己調節

• 損傷のない細胞では、p53は非常に不安定であり、極めて低濃度で存在する。これは主に、p53が別のタンパク質Mdm2と相互作用するためであり、Mdm2はp53をプロテアソームによる分解の標的とするユビキチンリガーゼ ubiquitin ligase ユビキチンリガーゼ（ubiquitin ligase） ubiquitin ligase（ユビキチンリガーゼ） として働く
• DNA損傷後のp53のリン酸化（Chk2により媒介される）はMdm2への結合を減少させる
• これによりp53の分解が減少し、細胞内のp53濃度が顕著に増加する結果となる。加えて、p53が遺伝子転写を刺激する能力も増大する

💡 「自己調節autoregulation自己調節（autoregulation）autoregulation（自己調節）」の実体は、p53とMdm2が作る負のフィードバックループである。 Mdm2は単にp53を分解する酵素なのではなく、Mdm2遺伝子そのものがp53の標的遺伝子 target gene標的遺伝子（target gene） target gene（標的遺伝子）である——Mdm2遺伝子はp53結合部位を持ち、p53が増えるとMdm2の転写が上がる。増えたMdm2蛋白質はp53に結合してその転写因子としての働きを抑え、同時にユビキチン化 ubiquitination ユビキチン化（ubiquitination） ubiquitination（ユビキチン化） して分解へ送る。つまりp53はMdm2を転写のレベルで、Mdm2はp53を活性のレベルで制御し合うため、p53は活性化してもやがて自動的に元の低いレベルへ戻る²。DNA損傷時のリン酸化は、この輪を一時的に断ち切る操作にあたる。

ストレスによるp53の蓄積

p53がATM、ATR、Chk1+2（チェックポイントcheckpoint チェックポイント（checkpoint）checkpoint（チェックポイント） キナーゼ）によりリン酸化・活性化されると、このリン酸化はp53にいくつかの修飾を引き起こし、DNA損傷に対処するのを助ける遺伝子の転写を活性化する能力を高める：

• ユビキチン化ubiquitination ユビキチン化（ubiquitination）ubiquitination（ユビキチン化） を妨げる（必要な時に利用できるように）
• アセチル化を促進する（DNAを転写にとってよりアクセス可能にするため）
• 核局在化シグナルnuclear localization signal (NLS) 核局在化シグナル（nuclear localization signal (NLS)）nuclear localization signal (NLS)（核局在化シグナル） を露出させる（核へ入れるように）
• 核外輸送nuclear export 核外輸送（nuclear export）nuclear export（核外輸送） シグナルを隠す

→ 活性化されたp53（共活性化因子co-activator 共活性化因子（co-activator）co-activator（共活性化因子） p300＝ヒストンアセチル基転移酵素 histone acetyltransferase (HAT) ヒストンアセチル基転移酵素（histone acetyltransferase (HAT)） histone acetyltransferase (HAT)（ヒストンアセチル基転移酵素） とともにあるホモ四量体 tetramer四量体（tetramer） tetramer（四量体））は、ストレス（DNA損傷）への応答として細胞周期停止 cell cycle arrest細胞周期停止（cell cycle arrest） cell cycle arrest（細胞周期停止）・アポトーシス誘導apoptosis inductionアポトーシス誘導（apoptosis induction）apoptosis induction（アポトーシス誘導）・DNA修復増強に必要な遺伝子を転写できるようになる。

（p53の構造：トランス活性化ドメイン transactivation domainトランス活性化ドメイン（transactivation domain） transactivation domain（トランス活性化ドメイン）、プロリンproline プロリン（proline）proline（プロリン） リッチドメイン、DNA結合ドメイン、核局在化シグナルnuclear localization signal (NLS)核局在化シグナル（nuclear localization signal (NLS)）nuclear localization signal (NLS)（核局在化シグナル）、四量体tetramer 四量体（tetramer）tetramer（四量体） 化ドメイン、C末端ドメインからなる。）

活性化されたp53が実際に何を転写するのかを、本ノートに出てくる標的で整理すると次のようになる。

⭐ 同じ一つのp53が、標的遺伝子target gene 標的遺伝子（target gene）target gene（標的遺伝子） の選び方だけで「止める」と「殺す」を切り替えている——覚えるべきはp53そのものではなく、この分岐である。

flowchart TD
  A["ストレスのない細胞"] --> B["p53がMdm2に結合"]
  B --> C["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='ubiquitination'>ユビキチン化</span>・急速な<span class='jp-term jp-term-diagram' title='proteasomal degradation'>プロテアソーム分解</span>"]
  C --> D["p53は低濃度で不安定"]
  E["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='deoxyribonucleic acid'>DNA</span>損傷"] --> F["ATM/ATR/Chk1+2によるp53リン酸化"]
  F --> G["Mdm2結合の減少"]
  G --> H["p53分解の減少・濃度上昇"]
  H --> I["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='ubiquitination'>ユビキチン化</span>妨げ・アセチル化促進・NLS露出・NES隠蔽"]
  I --> J["安定な<span class='jp-term jp-term-diagram' title='deoxyribonucleic acid'>DNA</span>結合性ホモ<span class='jp-term jp-term-diagram' title='tetramer'>四量体</span>としてのp53"]
  J --> K["p300を<span class='jp-term jp-term-diagram' title='co-activator'>共活性化因子</span>として転写を活性化"]

p53活性化によるアポトーシスの誘導

前述の通り、p53はp21（WAF1／CDKN1A。ヒト脳腫瘍 brain tumor 脳腫瘍（brain tumor） brain tumor（脳腫瘍） 細胞株 cell line 細胞株（cell line） cell line（細胞株） で変異型 mutant 変異型（mutant） mutant（変異型） ではなく野生型p53の発現に伴って誘導される遺伝子として同定され、コード配列coding sequence コード配列（coding sequence）coding sequence（コード配列） の上流2.4kbにp53結合部位を持つ³）を誘導してCdk-サイクリン複合体を阻害し、G1期G1 phase G1期（G1 phase）G1 phase（G1期） で細胞周期を停止させ、細胞に修復のための時間を与える（49-regulation-of-the-cell-cycle-in-the-g1-phase-transition-to-s-phase・51-molecular-sensors-detecting-dna-damage-and-completion-of-dna-replication-during参照）。しかしDNAに生じた損傷がp53により転写されたタンパク質によって修復できない場合、細胞は死ななければならない。p53はその後、いくつかの過程を通じてアポトーシスを誘導する：

• p53はPUMAとNOXAタンパク質を活性化し、これらが抗アポトーシス性Bcl-2タンパク質を阻害する。これによりBakとBax（促進性facilitatory 促進性（facilitatory）facilitatory（促進性） Bcl-2タンパク質）がオリゴマー化 oligomerization オリゴマー化（oligomerization） oligomerization（オリゴマー化） しミトコンドリア外膜 mitochondrial outer membrane ミトコンドリア外膜（mitochondrial outer membrane） mitochondrial outer membrane（ミトコンドリア外膜） に孔を形成できるようになる→シトクロム cytochrome シトクロム（cytochrome） cytochrome（シトクロム） cの放出→アポトソーム apoptosome アポトソーム（apoptosome） apoptosome（アポトソーム） の形成と イニシエーターinitiator イニシエーター（initiator）initiator（イニシエーター） カスパーゼの活性化を誘導する（54-members-of-the-bcl-2-superfamily-and-their-roles-in-various-apoptotic-pathways・53-structure-and-function-of-the-apoptosome-disc-and-piddosome-complexes参照）
• p53はPIDDソームの形成を誘導し、これもイニシエーター initiator イニシエーター（initiator） initiator（イニシエーター） カスパーゼの活性化に機能する
• ミトコンドリアはまたIAP（アポトーシス阻害因子inhibitor of apoptosis protein (IAP)アポトーシス阻害因子（inhibitor of apoptosis protein (IAP)）inhibitor of apoptosis protein (IAP)（アポトーシス阻害因子））の阻害因子を放出し、これがカスパーゼの阻害を妨げる

→ これらの経路は全て協働してカスパーゼカスケード The caspase cascade カスパーゼカスケード（The caspase cascade） The caspase cascade（カスパーゼカスケード） を活性化し、アポトーシスが確実に完遂 completion (of a treatment course) 完遂（completion (of a treatment course)） completion (of a treatment course)（完遂） されるようにする。

flowchart TD
  A["修復不能な<span class='jp-term jp-term-diagram' title='deoxyribonucleic acid'>DNA</span>損傷"] --> B["p53活性化継続"]
  B --> C["PUMA・NOXA活性化"]
  C --> D["抗アポトーシス性Bcl-2タンパク質の阻害"]
  D --> E["Bak/Baxの<span class='jp-term jp-term-diagram' title='oligomerization'>オリゴマー化</span>・孔形成"]
  E --> F["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='cytochrome'>シトクロム</span>c放出→<span class='jp-term jp-term-diagram' title='apoptosome'>アポトソーム</span>形成→カスパーゼ9活性化"]
  B --> G["PIDDソーム形成"]
  G --> H["カスパーゼ2活性化"]
  B --> I["ミトコンドリアからのIAP阻害因子放出"]
  I --> J["カスパーゼの阻害解除"]
  F --> K["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='The caspase cascade'>カスパーゼカスケード</span>活性化→アポトーシス"]
  H --> K
  J --> K

💡 p53は「まず細胞周期を止めて修復の機会を与え、それでもだめなら殺す」という二段階の意思決定者である。この方針転換の分子的な鍵は、p53が誘導する標的遺伝子 target gene 標的遺伝子（target gene） target gene（標的遺伝子） の違いにある——G1停止にはp21（Cdk-サイクリン複合体阻害）、アポトーシスにはPUMA/NOXA（Bcl-2阻害）とPIDD（カスパーゼ2活性化）という、同じp53から枝分かれする別々の下流プログラムが存在する。

まとめ

• p53とMdm2は負のフィードバックループを組む：p53がMdm2遺伝子の転写を活性化し、Mdm2蛋白質はp53に結合して活性を抑え分解へ送る²。TP53の生殖細胞系列変異 germline mutation 生殖細胞系列変異（germline mutation） germline mutation（生殖細胞系列変異） はLi-Fraumeni症候群 Li-Fraumeni syndrome Li-Fraumeni症候群（Li-Fraumeni syndrome） Li-Fraumeni syndrome（Li-Fraumeni症候群） を起こす¹。
• p53は通常Mdm2によるユビキチン化 ubiquitinationユビキチン化（ubiquitination） ubiquitination（ユビキチン化）・プロテアソーム分解proteasomal degradation プロテアソーム分解（proteasomal degradation）proteasomal degradation（プロテアソーム分解） により不安定に保たれているが、DNA損傷によるATM/ATR/Chk1+2を介したリン酸化がMdm2結合を減少させ、p53を安定化・活性化する（ユビキチン化ubiquitination ユビキチン化（ubiquitination）ubiquitination（ユビキチン化） 抑制、アセチル化促進、NLS露出、NES隠蔽）。
• 活性化p53はp300を共活性化因子 co-activator 共活性化因子（co-activator） co-activator（共活性化因子） とする安定なホモ四量体 tetramer 四量体（tetramer） tetramer（四量体） として、まずp21（WAF1／CDKN1A）を誘導して細胞周期停止 cell cycle arrest 細胞周期停止（cell cycle arrest） cell cycle arrest（細胞周期停止） （G1停止）とDNA修復を促進し、修復のための時間を与える³。
• 損傷が修復不能な場合、p53はPUMA/NOXAを介したBak/Bax活性化（アポトソームapoptosome アポトソーム（apoptosome）apoptosome（アポトソーム） 形成）、PIDDソーム形成（カスパーゼ2活性化）、IAP阻害因子の放出という複数の経路を同時に駆動し、カスパーゼカスケードThe caspase cascade カスパーゼカスケード（The caspase cascade）The caspase cascade（カスパーゼカスケード） を確実に完遂 completion (of a treatment course) 完遂（completion (of a treatment course)） completion (of a treatment course)（完遂） させてアポトーシスへと細胞の運命を切り替える。