p53-Protein s, ein nukleäres Phosphoprotein, bestehend aus 393 Aminosäuren (relative Molekülmasse 53.000), das als Transkriptionsfaktor fungiert und zur Gruppe der Tumorsuppressorproteine (Tumorsuppressorgene) zählt. Das Molekül enthält verschiedene Domänen ( vgl. Abb. 1 ). In der Mitte befindet sich eine zentrale Domäne, die an spezifische DNA-Zielsequenzen (Erkennungs-Motiv ist ein unterbrochenes palindromisches 10-bp-Motiv [Palindrom]) bindet. N-terminal liegt die Transaktivierungsdomäne für die Bindung der Transkriptionsfaktoren, z.B. TFIID und TFIIH, sowie das inhibitorische MDM2. Die C-terminale Region erkennt beschädigte, einzelsträngige DNA-Bereiche. Das Protein ist in seiner Rolle als Suppressor des Zellwachstums in die Kontrolle der genomischen Plastizität und der Zell-Differenzierung sowie in den Ablauf des programmierten Zelltods involviert. Über Bindung an eine spezifische DNA-Sequenz kann p53 – vermittelt durch ein Regulatorgen – die Transkription downstream gelegener Gene aktivieren, es wirkt also dann als Transkriptionsfaktor. Die Bindung erfolgt als Tetramer, bestehend aus 4 gleichen Untereinheiten. Für diese Oligomerisierung ist die C-terminale Region des Proteins verantwortlich. Wenn mutierte und Wildtypuntereinheiten von p53 zusammen einen Komplex bilden, so ändert das Tetramer seine Konformation und kann seine Funktion nicht mehr erfüllen. – Das p53-Protein greift in vielfältiger Weise regulatorisch in den Zellzyklus ein. Es schützt die Zelle vor der Tumorentwicklung, indem es die Zellen in der G₁-Phase während des Zellzyklus ( Mitose ) arretiert oder den Zelltod einleitet ( vgl. Abb. 2 ). Welcher dieser beiden Fälle eintritt, hängt zum Teil davon ab, in welchem Stadium des Zellzyklus sich die Zelle befindet. Bei Zellen in der Anfangsphase von G₁ sorgt p53 als Transkriptionsfaktor für die Induktion von p21, einem CDK-Cyclin-Kinase-Inhibitor (Cycline, Cyclin-abhängige Proteinkinasen). Diese Kinase phosphoryliert normalerweise den Hauptregulator des Zyklus, den Tumorsupressor Rb, der im phosphorylierten Zustand den Transkriptionsfaktor E2F freigibt und damit die Transkription ermöglicht. Weiterhin aktiviert p53 das Gen für das Reparaturprotein GADD45, das auch durch andere, auf Strahlenschäden reagierende Stoffwechselwege aktiviert wird. Dadurch kann die beschädigte DNA repariert werden (DNA-Reparatur), bevor die Zelle in die S-Phase eintritt. Fehlt Wildtyp-p53-Protein, können sich Schäden anhäufen und damit eine Tumorentstehung (Karzinogenese, Krebs) begünstigen. Befindet sich die Zelle bereits in der Teilungsphase, so löst p53 den als Apoptose („Selbstmord“) bezeichneten Vorgang aus, der zum Untergang der unerwünschten Zellen führt, wie Experimente mit p53-Knockout-Mäusen gezeigt haben. Die genauen Prozesse, die zur Apoptose führen, sind noch nicht geklärt. Möglicherweise löst p53 die Apoptose durch irgendeine Reaktion aus, für die keine Zielgene akiviert werden müssen. Die Apoptose spielt im Prozeß der Tumorbildung eine große Rolle – vermutlich, weil sie potentiell tumorauslösende Zellen eliminiert. – Die N-terminale Transaktivierungsdomäne von p53 reagiert mit den Proteinen MDM 2 und dem E1B, einem Onkoprotein des Adenovirus (Adenoviren). Das zelluläre Onkoprotein MDM2 steht offensichtlich mit dem p53 in einer negativen Feedback-Beziehung (Feedback). Das p53-Protein aktiviert das MDM2-Gen, dessen Genprodukt in einer Art negativer Rückkopplung die N-terminale Transaktivierungsdomäne von p53 blockiert und das Protein so für den proteasomalen Abbau (Proteasom) markiert. Ist p53 mutiert, kann keine Bindung mehr erfolgen, und das MDM2-Gen wird verstärkt transkribiert, wobei ein Tumor entstehen kann, wie bei einer häufigen Form von Muskelkrebs beobachtet wurde. – p53 kann Zellwachstum auch über Repression der Transkription verschiedener Promotoren, die TATA-Elemente (TATA-Bindeprotein) enthalten, hemmen. Manche Tumor-induzierende Viren, wie z.B. das menschliche Papillomavirus (HPV; Papillomviren), inaktivieren das p53 durch Interaktion mit dem viralen E6-Protein (E6-AP). Das E6-AP bewirkt den beschleunigten Abbau von p53. p53 kann dann seiner eigentlichen Aufgabe, die Zellteilung zu verzögern, nicht mehr nachkommen, und es erfolgt eine unregulierte Proliferation. – Die Stabilität und damit die Konzentration an p53-Protein steigt nach DNA-Schädigung durch Radioaktivität oder Chemikalien (u.a. auch solche, die bei der Chemotherapie eingesetzt werden), nach dem Abfall der zellulären ATP-Konzentration und im Zusammenhang mit manchen viralen Infektionen (Infektionskrankheiten, Virusinfektion) durch Kommunikation mit entsprechenden anderen Proteinen dramatisch an. Dadurch kann gezielt die Transkription bestimmter Gene induziert werden, die ein Anhalten des Zellzyklus bewirken oder zur Apoptose der Zelle führen. – Eine Mutation des p53-Gens ist die häufigste (in über 50% der Fälle) Veränderung in der Entwicklung von Tumoren beim Menschen. Aufgrund der Tatsache, daß man Mutationen von p53 bei sehr unterschiedlichen Krebstypen findet ( vgl. Infobox ), kann man vermuten, daß p53 nicht gewebsspezifisch wirkt, sondern bei einer recht verbreiteten Kontrolle der Zellproliferation. Die Mutation ist im Vergleich zu den anderen Tumorsuppressoren (z.B. Retinoblastom, RB) keine Nonsense-Mutation, sondern in 90% der Fälle eine Missense-Mutation, was die Konformation und die Stabilität des p53-Proteins beeinflußt. Der Austausch einer Aminosäure findet dabei bevorzugt an 4 bestimmten Stellen, den sog. hot spots, statt. Die Mutationen wirken sich höchst unterschiedlich auf die Eigenschaften von p53 aus: z.B. erhöhen sie seine Halbwertszeit, lösen einen Konformationswechsel aus, führen zur Anreicherung im Cytoplasma oder verhindern die Bindung an defekte DNA. Mutationen im p53-Gen können in der Keimbahn auftreten und vererbt werden. So konnte bei der seltenen autosomal-dominanten Erbkrankheit Li-Fraumeni-Syndrom, die durch das Auftreten vielfältiger Krebsarten besonders in jungen Jahren gekennzeichnet ist, gezeigt werden, daß sie eng mit Keimbahnmutationen im p53-Gen assoziiert ist. – Mutationsspektren vom p53-Protein werden intensiv untersucht. Man hofft, über Lokalisation und Charakter der p53-Mutationen Anhaltspunkte zu Ursache und molekularer Pathogenese wie auch zu Diagnose und Behandlungsmethoden von Krebs zu erhalten. Auch kann die sequenzspezifische DNA-Bindungsstelle durch Mutationen verändert werden und dadurch die Transkriptionsfaktor-Aktivität des p53 verloren gehen. p53 – das „Molekül des Jahres 1993“ – bietet offensichtlich Schutz vor Tumoren („guardian of the genome“) und dürfte somit eine klinische Bedeutung bei der Krebsfrüherkennung und der Tumorbehandlung erlangen. Die PCR-Technik (Polymerase-Kettenreaktion) erlaubt in vielen Fällen schon sehr früh bei Verdacht auf Krebserkrankung eine Diagnose (z.B. zu 60% bei Blasenkrebs). Das Gen p53 ist einer der Hauptansatzpunkte für Behandlungsmöglichkeiten. In der Entwicklung befinden sich Gentherapien, bei denen eine funktionelle Kopie des Gens eingeschleust wird, oder auch Immuntherapien (Immun-Krebstherapie), die sich gegen das defekte Stückchen Erbgut richten. In Zellkulturen konnte eine gezielte Abtötung von Zellen mit mutiertem p53-Gen durch veränderte Adeno-assoziierte Viren (Parvoviren) nachgewiesen werden. – Neben dem mutierten p53 rückt auch eine Beeinflussung des funktionsfähigen p53-Proteins zunehmend in den Mittelpunkt des Interesses. Eine gesunde Zelle hat keinen Bedarf an dem p53-Protein im Zellkern, also wird das Protein zwar produziert, aber anschließend durch die Kernporen ins Cytoplasma transportiert (Proteintransport) und abgebaut. Treten aber Fehler im Erbgut auf, so wird das Protein im Zellkern benötigt. Um den Export zu verhindern, hängt ein Enzym eine Phosphatgruppe an eine spezielle Aminosäuresequenz. Das phosphorylierte p53-Protein kann die Kernporen nicht mehr passieren. Es sammelt sich im Zellkern an und stoppt das Wachstum der entarteten Zelle bzw. leitet den Zelltod ein. Der Transport dieses nukleären Proteins wird also mittels Phosphorylierung reguliert. Ein möglicher Therapieansatz wäre hier, in Tumorzellen den Transport des Proteins in das Cytoplasma zu verhindern und so die zelltötende Wirkung zu gewährleisten. Ein ganz anderer Weg der Therapie wird mit der Entwicklung eines Hemmstoffs des Tumorsuppressors p53, des sog. Pifithrin (in Anlehnung an das englische „p53 inhibitor“), beschritten. Ziel ist es, die Arbeit von p53 in gesunden Zellen zeitweise und reversibel zu unterdrücken, damit diese Zellen sich während einer Krebstherapie nicht als Antwort bzw. Nebenwirkung auf eine chemo- oder strahlentherapeutische Behandlung selbst zerstören. Da Tumorzellen meist kein funktionsfähiges p53 aufweisen, besteht nicht die Gefahr, daß durch die Inaktivierung des Moleküls neben den gesunden Zellen auch die Krebszellen die Behandlung überleben könnten. Auf diese Weise könnten die Nebenwirkungen der Chemotherapie deutlich gemildert werden. Noch bleibt es allerdings abzuwarten, wann aus diesen vielversprechenden Ansätzen der Krebsbekämpfung realisierbare Therapien für eine größere Anzahl von Patienten werden. BRCA1, chronisch-myeloische Leukämie, Onkogene.

A.H./M.Hä./S.Kl.

p53-Protein

Abb. 1: Für die Aktivitäten des p53-Proteins sind verschiedene Domänen verantwortlich, an welche die interagierenden Proteine binden. Die meisten tumorauslösenden Mutationen finden sich in den Genen für die zentrale DNA-bindende Domäne.

p53-Protein

Abb. 2: Wirkung von p53: Durch die Beschädigung der DNA wird p53 aktiviert. Je nachdem, in welcher Phase des Zellzyklus die Aktivierung auftritt, löst p53 die Apoptose oder, über eine Aktivierung des Inhibitors p21, die Unterbrechung des Zellzyklus zur Reparatur des DNA-Schadens aus. Rb ist der Hauptregulator des Zellzyklus und bindet den Transkriptionsfaktor E2F. Die Phosphorylierung von Rb durch Cyclin/CDK4 führt zur Freisetzung und Aktivierung von E2F. p16 stellt einen weiteren Inhibitor der Cyclin-abhängigen Kinase dar; Bax ist ein proapoptotisch wirkendes Protein, das durch p53 induziert wird, wenn irreparable DNA-Schäden auftreten.