[論文レビュー] A p53 Oscillator Model of DNA Break Repair Control

Vijay Chickarmane, Ali Nadim+2 more|ArXiv.org|Oct 1, 2005

Cancer-related Molecular Pathways参考文献 1被引用数 16

ひとこと要約

本論文は、DNA二重鎖切断に対するp53の周期的変動を記述する計算モデルを提案する。このモデルは、ATMキナーゼ活性の二安定スイッチがNbs1のリン酸化によって増幅されるもので、実験的に観察されたp53の周期的変動を説明しており、障害信号の強さが波の数を制御するが周波数や振幅には影響しない。また、p53-Pの分解とヒステリックなATMの挙動といった重要な制御ダイナミクスを予測している。

ABSTRACT

The transcription factor p53 is an important regulator of cell fate. Mutations in p53 gene are associated with many cancers. In response to signals such as DNA damage, p53 controls the transcription of a series of genes that cause cell cycle arrest during which DNA damage is repaired, or triggers programmed cell death that eliminates possibly cancerous cells wherein DNA damage might have remained unrepaired. Previous experiments showed oscillations in p53 level in response to DNA damage, but the mechanism of oscillation remained unclear. Here we examine a model where the concentrations of p53 isoforms are regulated by Mdm22, Arf, Siah, and beta-catenin. The extent of DNA damage is signalled through the switch-like activity of a DNA damage sensor, the DNA-dependent protein kinase Atm. This switch is responsible for initiating and terminating oscillations in p53 concentration. The strength of the DNA damage signal modulates the number of oscillatory waves of p53 and Mdm22 but not the frequency or amplitude of oscillations{a result that recapitulates experimental findings. A critical fnding was that the phosphorylated form of Nbs11, a member of the DNA break repair complex Mre11-Rad50-Nbs11 (MRN), must augment the activity of Atm kinase. While there is in vitro support for this assumption, this activity appears essential for p53 dynamics. The model provides several predictions concerning, among others, degradation of the phosphorylated form of p53, the rate of DNA repair as a function of DNA damage, the sensitivity of p53 oscillation to transcription rates of SIAH, beta-CATENIN and ARF, and the hysteretic behavior of active Atm kinase levels with respect to the DNA damage signal

研究の動機と目的

• DNA損傷に対するp53の周期的変動の背後にあるメカニズムを解明すること。これは、実験的観察はされているものの、そのメカニズムは依然として不明であった。
• DNA損傷信号の強さがp53とMdm2の周期的変動にどのように影響するかを調査すること。特に、周波数、振幅、または波の数に影響を与えるかを特定すること。
• リン酸化Nbs1（Nbs1-P）がATMキナーゼ活性を増幅し、周期的スイッチを維持する役割を検証すること。
• p53-Pの分解経路や、活性ATMのヒステリック応答を含む、新たな制御挙動を予測すること。
• p53ダイナミクスが細胞修復とアポトーシスの決定にどのように関与するかを、統合的レベルで説明すること。

提案手法

• p53-Mdm2-Nbs1-ATM制御ネットワークの非線形常微分方程式（ODE）モデルを構築し、フィードバックループと分解キネティクスを組み込んだ。
• ATM活性化をDNA損傷に対するスイッチ型反応としてモデル化し、Nbs1-PがATM-Pに正のフィードバックをかけることで二安定系を形成した。
• p53、ATM、Nbs1のリン酸化および脱リン酸化ダイナミクスを組み込み、p53-Pを活性転写因子とした。
• 実験データから得られたパrameterセットを用いて、Mdm2による非リン酸化p53の分解と、p53-Pの代替分解経路を含む周期的変動をシミュレーションした。
• 分岐解析を用いて、ATMスイッチのオン・オフの臨界閾値を特定し、ヒステリックな挙動を明らかにした。
• 変異体状態を模擬するため、基礎リン酸化速度とホスファターゼ活性を変動させ、モデルの頑健性を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 DNA損傷後に観察されたp53およびMdm2レベルの周期的変動の背後にあるメカニズムは何か？
• RQ2 DNA損傷信号の強さが、p53の周期的変動の波の数、周波数、振幅にどのように影響するか？
• RQ3 Nbs1リン酸化がATMキナーゼ活性を維持し、周期的ダイナミクスを可能にする役割は何か？
• RQ4 リン酸化p53（p53-P）の分解経路が、周期的変動および細胞生死決定にどのように影響するか？
• RQ5 モデルはATMキナーゼ活性化におけるヒステリック挙動を予測するか？また、これは損傷信号の閾値とどのように関係するか？

主な発見

• モデルは、損傷信号強度が波の数を制御するが周波数や振幅には影響しないという、実験的観察を正確に再現した。
• リン酸化形態のNbs1（Nbs1-P）は、ATMキナーゼ活性を増幅するために不可欠であり、その欠如は、in vitroでのこの相互作用の支持にもかかわらず、周期的変動を完全に消失させる。
• モデルは、p53-Pの分解がMdm2依存経路と代替経路の両方を経由するが、後者が正確な周期的ダイナミクスに不可欠であると予測している。
• 分岐解析により、二つの異なる損傷閾値が特定された：スイッチオン閾値（SD ≈ 2.7）とスイッチオフ閾値（SD ≈ 0.08）で、活性ATMのヒステリック挙動が示された。
• 基礎リン酸化速度（α, β）を増加させたり、ホスファターゼ結合（k₀）を減少させたりすると、低損傷レベルでもATM-P活性が持続し、小さな損傷に対しては迅速な修復が予測された。
• モデルは、恒常的に活性なp53を有するトランスジェニックマウス（例：劣性ノンコドミナントp53）ではp53の周期的変動が観察されないことを予測しており、これは実験的に検証可能である。