[论文解读] 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 16

一句话总结

本文提出了一种计算模型，用于描述DNA双链断裂后p53振荡的机制，其驱动力是ATM激酶活性的双稳态开关，该开关通过Nbs1的磷酸化被放大。该模型解释了实验中观察到的p53振荡现象，表明损伤信号强度控制振荡波数，但不影响频率或振幅，并预测了关键的调控动力学，包括p53-P的降解和ATM的滞后行为。

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

研究动机与目标

• 为解析DNA损伤后p53振荡的机制，尽管已有实验观察，但其内在机制仍不明确。
• 研究DNA损伤信号强度如何调节p53和Mdm2的振荡，特别是其是否影响频率、振幅或波数。
• 检验磷酸化Nbs1（Nbs1-P）在放大ATM激酶活性和维持振荡开关中的作用。
• 预测新的调控行为，包括p53-P的降解途径以及活性ATM对DNA损伤信号的滞后响应。
• 提供一个系统层面的解释，阐明p53动力学如何决定细胞在修复与凋亡之间的命运选择。

提出的方法

• 构建了p53-Mdm2-Nbs1-ATM调控网络的非线性常微分方程（ODE）模型，整合了反馈回路和降解动力学。
• 将ATM激活建模为对DNA损伤的开关式响应，通过Nbs1-P对ATM-P的正反馈形成双稳态系统。
• 整合了p53、ATM和Nbs1的磷酸化与去磷酸化动力学，其中p53-P为活性转录因子。
• 使用源自实验数据的参数集进行振荡模拟，包括Mdm2介导的未磷酸化p53降解以及p53-P的其他降解途径。
• 通过分岔分析识别ATM开关开启和关闭的关键阈值，揭示了滞后行为。
• 通过改变基础磷酸化速率和磷酸酶活性来模拟突变条件，探索模型的鲁棒性。

实验结果

研究问题

• RQ1 DNA损伤后观察到的p53和Mdm2水平振荡的机制是什么？
• RQ2 DNA损伤信号强度如何影响p53振荡的波数、频率和振幅？
• RQ3 Nbs1磷酸化在维持ATM激酶活性并实现振荡动力学中起什么作用？
• RQ4 p53-P的降解途径如何影响振荡行为和细胞命运决定？
• RQ5 该模型是否预测ATM激酶激活存在滞后行为？这与损伤信号阈值有何关联？

主要发现

• 该模型成功再现了实验中观察到的p53和Mdm2振荡，损伤信号强度调节波数，但不影响频率或振幅。
• Nbs1的磷酸化形式（Nbs1-P）对于放大ATM激酶活性至关重要，其缺失即使在体外支持该相互作用的情况下也会导致振荡消失。
• 该模型预测p53-P通过Mdm2依赖性和其他途径降解，其中后者对准确的振荡动力学至关重要。
• 分岔分析揭示了两个不同的损伤阈值：开关开启阈值约为SD ≈ 2.7，开关关闭阈值约为SD ≈ 0.08，表明活性ATM具有滞后行为。
• 提高基础磷酸化速率（α, β）或降低磷酸酶结合常数（k₀）会导致即使在低损伤水平下ATM-P活性持续存在，预测小损伤的修复速度更快。
• 该模型预测，具有持续活化p53的转基因小鼠（如显性负性p53）不会表现出p53振荡，该预测可通过实验验证。