p53激活BAK诱导细胞凋亡的结构和功能研究

The mitochondrial pathway of apoptosis is activated by stress conditions, such as cytokine deprivation, ER stress or DNA damage, and centered on mitochondrial outer membrane permeabilization (MOMP). MOMP is strictly controlled by BCL-2 proteins. The tumor suppressor gene TP53 is essential for the prevention of cancer development, with more than half of human cancers carrying TP53 mutations. The regulation of apoptosis by p53 is tightly connected to the MOMP primarily through its interactions with BCL-2 family members. Upon cell stress, p53 can interact with the BCL-2 effector member BAK which permeabilizes the mitochondrial outer membrane, allowing the release of cytochrome c to the cytosol during apoptosis. In addition, formation of the p53/BAK complex coincides with loss of an anti-apoptotic complex of BAK with the BCL-2 anti-apoptotic member MCL-1. The mechanism of p53 mediated BAK activation is not well understood. In the proposed studies, we will solve the three-dimensional structures of p53/BAK complex and BAK/MCL-1 complex to elucidate the structural basis for their interactions. These studies will help understanding the molecular mechanism by which p53 activates BAK in mitochondrial apoptosis, and also provide a theoretical basis for the development of small molecules to block their interaction in cancer therapy.

线粒体通路是生物体应激内部凋亡信号的经典凋亡路径，其信号转导主要由BCL-2家族成员调控。抑瘤基因TP53在肿瘤发生发展过程中至关重要，50%以上的肿瘤存在TP53突变。诱导凋亡是p53蛋白抑制肿瘤的重要机制，p53调控凋亡不依赖于其转录功能，而主要通过与BCL-2家族成员的直接相互作用控制线粒体外膜透化（MOMP）。BCL-2家族成员BAK是诱导MOMP，释放细胞色素c起始凋亡的效应蛋白。p53能直接结合和激活BAK，并破坏BCL-2家族抗凋亡蛋白MCL-1对BAK的抑制，然其具体机制尚不清楚。本研究将解析p53/BAK复合物、MCL-1/BAK复合物的三维结构，分析它们相互作用的特性，阐述p53抑制MCL-1并激活BAK诱导细胞凋亡的分子机制。p53和BCL-2家族蛋白都是抗肿瘤治疗的重要靶点，这项研究也将为制备靶向蛋白间相互作用的小分子药物提供重要理论依据。

BCL-2蛋白家族通过蛋白质相互作用控制线粒体凋亡通路，在调控生物体内稳态方面发挥了重要功能。抑癌蛋白p53通过与BCL-2蛋白家族成员的直接相互作用，导致促凋亡效应蛋白BAK激活，诱导细胞凋亡，发挥抑制肿瘤功能。在分子水平上阐述这些蛋白质相互作用对于了解肿瘤发生机制和靶向治疗具有重要意义。本项目解析了抗凋亡蛋白MCL-1与促凋亡蛋白BAK的复合物结构，发现MCL-1利用其BH3结合口袋与BAK形成典型的疏水和盐键相互作用，而MCL-1潜在P5口袋与BAK h5残基Tyr89之间的π-π堆积作用在MCL-1高亲和力地结合和抑制BAK中具有关键作用，提示MCL-1 P5口袋在研发小分子抑制剂诱导肿瘤细胞凋亡中的潜在应用价值。在溶液中，MCL-1抑制BAK蛋白形成二聚体活化形式，p53则直接激活BAK形成二聚体活化形式，且p53抑制MCL-1/BAK复合物的形成，提示p53结合BAK诱导其构象变化和激活。同时，本项目解析了p53与抗凋亡蛋白BCL-xL的复合物结构，结构和生化实验表明两个p53-DBD分子形成同源二聚体，并结合一个BCL-xL分子形成比例2:1的三元复合物，位于p53/BCL-xL相互作用面的p53突变体显著损伤其结合亲和力并导致p53介导的凋亡异常；BCL-xL/p53与BCL-xL/BAK的结构比较提示，虽然p53结合在BCL-xL的BH3结合口袋以外，但很可能通过构象变化影响BCL-xL BH3结合口袋的活性，进而调控BCL-xL/BAK的相互作用。总之，这些研究有助于揭示p53通过蛋白质-蛋白质相互作用调控细胞凋亡的功能机制，为制备靶向蛋白间相互作用的抗癌药物开发提供新的结构和功能信息。