[논문 리뷰] A p53 Oscillator Model of DNA Break Repair Control

Vijay Chickarmane, Ali Nadim외 2명|ArXiv.org|2005. 10. 01.

Cancer-related Molecular Pathways참고 문헌 1인용 수 16

한 줄 요약

이 논문은 DNA 이중균열에 대한 p53 진동을 설명하는 계산 모델을 제안한다. 이 모델은 ATM 키나제 활성의 이중안정 스위치와 Nbs1 인산화에 의해 증폭되는 메커니즘에 기반한다. 모델은 실험적으로 관찰된 p53 진동을 설명하며, 손상 신호 강도가 진동 수를 조절하지만 주파수나 진폭에는 영향을 주지 않는다는 것을 보여주며, p53-P 분해와 히스테리시스를 보이는 ATM 행동을 예측한다.

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

연구 동기 및 목표

• 실험적으로 관찰되었음에도 불구하고 여전히 명확하지 않았던 DNA 손상에 대한 p53 진동의 기전을 규명하기 위해.
• DNA 손상 신호 강도가 p53와 Mdm2 진동에 미치는 영향을 조사하여, 주파수, 진폭, 또는 파동 수에 영향을 주는지 여부를 밝히기 위해.
• 인산화된 Nbs1(Nbs1-P)이 ATM 키나제 활성을 증폭하고 진동 스위치를 유지하는 데 수행하는 역할을 시험하기 위해.
• p53-P의 분해 경로와 활성 ATM의 히스테리시스 반응을 포함한 새로운 조절 행동을 예측하기 위해.
• p53 동역학이 복구 또는 세포 사멸 결정에 어떻게 영향을 주는지를 시스템 수준에서 설명하기 위해.

제안 방법

• 피드백 루프와 분해 동역학을 포함한 p53-Mdm2-Nbs1-ATM 조절 네트워크의 비선형 상미분 방정식(ODE) 모델을 개발하였다.
• ATM 활성화를 DNA 손상에 대한 스위치처럼 반응하도록 모델링하였으며, Nbs1-P가 ATM-P로의 정성 피드백을 통해 이중안정 시스템을 형성하였다.
• p53, ATM, Nbs1의 인산화 및 탈인산화 동역학을 포함하였으며, p53-P를 활성 전사 인자로 간주하였다.
• 실험 데이터에서 유도된 파rameter 세트를 사용하여 진동을 시뮬레이션하였으며, 비인산화된 p53의 Mdm2 매개 분해와 p53-P의 보조 분해 경로를 포함하였다.
• 이중안정성의 임계값을 규명하기 위해 분기 분석을 수행하였으며, 활성 ATM의 히스테리시스 행동을 드러내었다.
• 기본 인산화 속도와 인산화효소 활성을 변화시켜 돌연변이 조건을 시뮬레이션함으로써 모델의 강건성을 탐색하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 DNA 손상 이후 실험적으로 관찰된 p53 및 Mdm2 농도의 진동을 뒷받침하는 기전은 무엇인가?
• RQ2 DNA 손상 신호 강도가 p53 진동의 수, 주파수, 진폭에 어떻게 영향을 주는가?
• RQ3 Nbs1 인산화가 ATM 키나제 활성 유지 및 진동 동역학 유도에 수행하는 역할은 무엇인가?
• RQ4 인산화된 p53(p53-P)의 분해 경로가 진동 행동과 세포 운명 결정에 어떻게 영향을 주는가?
• RQ5 모델은 ATM 키나제 활성화에 대해 히스테리시스 행동을 예측하는가? 그리고 이는 손상 신호 임계값과 어떻게 관련되는가?

주요 결과

• 모델은 실험적으로 관찰된 p53 및 Mdm2 진동을 성공적으로 재현하였으며, 손상 신호 강도가 진동 수를 조절하지만 주파수나 진폭에는 영향을 주지 않는다는 것을 보여주었다.
• Nbs1의 인산화 형태(Nbs1-P)는 ATM 키나제 활성 증폭에 필수적이며, 그 부재는 비록 in vitro에서 이 상호작용이 지지되더라도 진동을 완전히 없애버린다.
• 모델은 p53-P 분해가 Mdm2 의존 경로와 보조 경로를 통해 일어나며, 후자가 정확한 진동 동역학에 핵심적임을 예측한다.
• 분기 분석을 통해 두 가지 별개의 손상 임계값을 확인하였으며, 스위치 켜짐 임계값은 SD ≈ 2.7, 스위치 꺼짐 임계값은 SD ≈ 0.08로 나타나 활성 ATM의 히스테리시스 행동을 시사한다.
• 기본 인산화 속도(α, β)를 증가시키거나 인산화효소 결합을 감소시켜(k₀) 낮은 손상 수준에서도 지속적인 ATM-P 활성화가 발생함을 예측하였으며, 이는 작은 손상에 대해 더 빠른 복구를 예측한다.
• 모델은 구성적 활성 p53(예: 열성 억제형 p53)를 가진 전신형 마우스에서 p53 진동이 나타나지 않을 것임을 예측하며, 이는 실험적으로 검증 가능하다.