p53

p53, "El Guardián del Genoma"

Por Leyre Gurucharri Villa, Miriam Fernández Gómez y David García Ares; Biología Sanitaria

INTRODUCCIÓN:

La proteína p53, conocida como “Guardián del Genoma”, está codificada por un gen que se localiza en el brazo corto del cromosoma 17. Esta proteína se encuentra en el núcleo y su función es parar el ciclo celular cuando se detectan daños en el ADN, valorando el daño producido y llevando dicha célula a apoptosis o a intentar reparar el daño, deteniendo así la propagación de una célula tumoral en el organismo y la futura formación de tumores(L Bai, WG Zhu, 2006).

En una célula sana de un ser humano los niveles de p53 deberían ser bajos, por lo que una proporción elevada de esta proteína es un claro indicador de problemas en el individuo, ya que aumenta su número cuando se produce un daño celular, que puede ser provocado por radiación ultravioleta, estrés celular o un componente químico entre otros factores (L Bai, WG Zhu, 2006).

Por otro lado, como todas las proteínas, está sujeta a posibles mutaciones que cambian radicalmente su función en el organismo y propician la división celular de las células tumorales (AJ Levine, 2019).

Su descubrimiento se atribuye a Sir David Lane, director del Grupo de Investigación del Cáncer en la Universidad de Dundee (Escocia) en el año 1979. Diez años después se llegó a la conclusión, tras el estudio conjunto de diversos grupos, entre ellos el de Sir David Lane, (Zhelev, 2012) de que más de la mitad de las personas que padecen cáncer presentan el gen de esta proteína mutado o directamente inactivo, convirtiéndose en la causa principal del desarrollo de cáncer(L Bai, WG Zhu, 2006).

Para la comunidad científica esta proteína puede suponer algo más que un mero descubrimiento sobre el comportamiento de las células y su directa relación con el cáncer, ya que se puede convertir en la base del desarrollo de técnicas para combatirlo.


ESTRUCTURA:

El gen que codifica la proteína p53 se localiza en el brazo corto del cromosoma 17, en el locus 13.1 en los seres humanos. 

Observando la estructura del gen se ha visto que está compuesto por 11 exones (fragmentos de genes que son capaces de codificar aminoácidos) y 10 intrones (fragmentos de genes que no codifican proteínas y serán eliminados tras la transcripción antes de llevar a cabo la traducción). 

Se trata de una molécula flexible con estructura cuaternaria formada por 4 cadenas polipeptídicas idénticas (un homotetrámero).

Su estructura se divide en 3 dominios:

  • Dominio de tetramerización. Es el dominio central que une las 4 cadenas polipeptídicas. Está formada por 2 láminas beta antiparalelas y dos alfa hélices entrecruzadas que se unen con el dominio de unión al ADN a través de una región flexible.
Imagen basada en PDB 3Q05
  • Dominio de unión al ADN (4 dominios, situados en cada uno de los brazos de la proteína, asociados dos a dos formando dímeros), rico en residuos de arginina y lisina (residuos básicos que confieren un punto isoeléctrico de 10, lo que permite la unión mediante interacciones electrostáticas al ADN), que reconoce regiones específicas de la cadena de ADN. Estos genes a los que se une la proteína codifican proteínas que intervienen en los procesos regulados por la p53. Este dominio sufre modificaciones postraduccionales como ubiquitinación (adición de una ubiquitina), sumolización (modificación covalente con una proteína pequeña llamada SUMO), fosforilación (adición de un fosfato), acetilación (introducción de un grupo acetilo) o glicosilación (adición de un glúcido) ante señales de estrés. 
Imagen basada en PDB 3Q05
  • Dominio N terminal transactivador, situado cerca del final de cada cadena, que activa el mecanismo de lectura del ADN. Contiene una secuencia de aminoácidos rica en prolinas, una señal de exportación nuclear (NES) y numerosos aminoácidos que pueden sufrir fosforilaciones ante señales de estrés. Este dominio se encuentra unido al regulador negativo MDM2, que inhibe la función de la proteína. Al ser fosforilado, la p53 se libera de él, suponiendo su activación.
  • Las regiones flexibles que unen los diferentes dominios de la proteína permiten que los dominios de unión al ADN se puedan unir a diferentes modalidades de la secuencia consenso que reconoce la proteína.
Imagen obtenida de https://pdb101.rcsb.org/motm/31
Gif basado en PDB 3Q05

MECANISMO DE ACCIÓN:

El desarrollo normal de las células  es un proceso equilibrado que incluye la proliferación y la muerte celular, procesos ambos muy complicados en los que interfieren gran cantidad de genes. En ambos procesos, el gen supresor p53 es uno de los genes más importantes y estudiados debido a su implicación en la supresión de tumores llevando a la célula a reparación o por defecto a la muerte celular o apoptosis a través de una transcripción activa de una variedad de genes. La p53 es activada por factores como agentes químicos, hipoxia, radiación g o ultravioleta, que causan daños significativos en el ADN. Cuando se produce la activación de la p53, esta induce la expresión de p21 (inhibidor de la quinasa), el cual participa activamente en la inhibición del avance usual del ciclo celular durante la fase G1, o la expresión de [bax, PIGs, IGF-BP3, Fas, FasL y DR5] encargados de dar comienzo a la apoptosis o a través de la activacion de genes diana de otros cromosomas por la union de secuencias especificas de ADN, que son reconocidas por el dominio central de la proteina. Cuando una célula es dañada, depende de la intensidad del daño el que se detenga el ciclo o se induzca apoptosis. El fin de la p53 es mantener la estabilidad genómica en las células, en cambio su deficiencia contribuye a la inestabilidad genómica, a la acumulación de mutaciones y la aceleración de la génesis de tumores “La estabilidad genómica es fundamental en la división celular y la propagación. La obtención de un número anormal de cromosomas durante su separación en proceso de división celular se asocia a la aparición de muchos tipos de tumores sólidos” (cita obtenida de fuente)


REGULACIÓN E INHIBICIÓN DE LA PROTEÍNA P53 Y CÓMO HACERLE FRENTE:

Tras analizar el mecanismo de acción de la proteína activa p53, cabe mencionar las diversas causas que promueven la aparición de la variante inactiva y por consiguiente, la pérdida de su funcionalidad en el tratamiento frente a tumores.

Mutaciones:

Como era de esperar, estudios estadísticos muestran que la mutación es la principal causa de este agravio, expresándose en consecuencia la proteína p53 mutada en el 50-55% de los cánceres (L Bai, WG Zhu, 2006). Mutaciones sin sentido, mutaciones con cambio del marco de lectura o incluso de deleción son algunos de los tipos de mutaciones que presentaban los dominios de unión a ADN de la proteína p53, todos ellos provocando la pérdida de función de la proteína afectada. Las p53 que sufrían mutaciones sin sentido además de perder su función, inactivaban las p53 que se encontraban en buen estado. Cabe mencionar que el 28% de las mutaciones afectan a estos 6 residuos: la Arg 248, ARg 249, Arg175, Gly245, Arg273 y Arg282 (AJ Levine, 2019).

(mutación de la arginina 248 en rojo y mutaciones de arginina 175, 249, 273, 282 y glicina 245 en rosa, imagen obtenida de PDB)
Inhibidores:

Por otro lado, en una investigación llevada a cabo por Oliner JD, Kinzler KW, Meltzer PS, George DL y Vogelstein B., se observó que el 30% de los humanos que padecía sarcoma no mostraba ningún tipo de mutación en la p53, y en cambio sí una gran concentración de MDM2, debida a una gran sobreexpresión de su gen codificador. (L. Bai, WG & Zhu, 2006)

El MDM2 es un regulador negativo necesario para regular la actividad de la proteína p53, ya que, como toda proteína, sus procesos deben estar supervisados. De esta manera, si la proteína funcionase a la perfección poniendo en práctica su labor únicamente cuando fuese estrictamente necesario, el regulador se inactivaría para que la proteína cumplimentase su objetivo (fuente). No obstante, si la proteína no estuviese llevando a cabo su labor de manera adecuada, se solucionaría el problema por medio de la actuación del regulador (normalmente proteolizando la proteína), antes de que la p53 causase algún inconveniente. Es por eso que este inhibidor debe aparecer en cierta concentración en el organismo. 

En cuanto al mecanismo de acción del MDM2, cabe mencionar que consta de dos dominios indispensables para llevarlo adelante. Por una parte, su dominio N-terminal se une al dominio N-terminal transactivador de la p53, bloqueando la señal que activa el mecanismo de lectura del ADN, o lo que viene siendo su método de acción. Por otra parte, consta de una señal de exportación nuclear necesaria para que las exportinas lo exporten. En esta situación, además de para exportarlo a él, se utilizaría para exportar a la p53 hacia el citoplasma lejos de los genes que debe activar. Allí, el dominio C-terminal del MDM2 actuaría como transferente de ubiquitina realizando la ubiquitinización de la p53, para señalizarla y que sufriese la proteólisis a manos del proteasoma (fuente). Al final de esta serie de procesos, la problemática de la p53 estaría solucionada mediante la eliminación de la proteína incapacitada de cumplimentar adecuadamente su función. 

Continuando con la investigación sobre el sarcoma, en ella como bien se ha comentado, aparecían concentraciones elevadas del inhibidor, es decir, concentraciones fuera de lo común en las que se encuentra en el organismo. Esto causaba que el regulador actuase sobre la p53 incluso cuando no era necesario, esto es, cuando la proteína funcionaba perfectamente y debía llevar su función a cabo. Investigadores concluyeron que esta sobreexpresión del MDM2 era el método de las células tumorales para hacerle frente a la p53 y por ende, para poder sufrir la mitosis sin supervisión (fuente), es decir, el inhibidor en esas concentraciones era capaz de superar la barrera impuesta por el gen supresor de tumores que codifica a la proteína p53, permitiendo la formación de diferentes cánceres(L. Bai, WG & Zhu, 2006). Los expertos observaron como la unión entre el MDM2 y la p53 a través de los N-terminales respectivos daba lugar a la formación de una hélice α anfipática en la proteína que interactuaba con el bolsillo hidrofóbico del MDM2. Visto el mecanismo de unión entre el regulador y la diana, dedujeron que únicamente moléculas de pequeño tamaño lograrían vencer al MDM2 desplazándolo y por lo tanto, activando la proteína. Tras hacer uso de la técnica phage display y high-throughput screening hallaron las nutlins capacitadas para bloquear la interacción entre el inhibidor y la proteína(B Hu, DM Gilkes, B Farooqi, SM Sebati, J & Chen, 2006). Muchos científicos esperan que gracias al descubrimiento de estas moléculas se puedan eliminar específicamente células tumorales localizadas en regiones del organismo afectadas por tumores (L Bai, WG Zhu, 2006).

(MDM2 interaccionando con nutlins, imagen obtenida de PDB)

Someramente, la proteína analizada en este artículo puede perder su operatividad tanto por modificaciones que cambian su estructura y por este motivo, su mecanismo de acción, como por la acción de inhibidores sobre su persona.


IMPLICACIONES BIOMÉDICAS / PAPEL EN LA BIOLOGÍA:

Mayoritariamente, a lo largo de la historia, la investigación de esta proteína se ha centrado en su papel frente a los tumores. Es por eso que a continuación se ha querido hacer ver una pequeña parte de la gran diversidad de funcionalidades que presenta la p53. 

Reproducción:

La proteína p53 tiene un papel fundamental tanto en la implantación del embrión en el útero como en la formación de la placenta (Levine, 2019). Respecto a la implantación del embrión, cabe destacar que se produce debido a la acción conjunta de varios procesos (la apoptosis del epitelio luminal,la angiogénesis y la comunicación o coordinación entre células) que están controlados por la p53. Es más, en 2007, Hu et al. descubrieron que esta proteína regula la transcripción del gen LIF (Leukemia Inhibitory Factor) que es fundamental para el inicio del proceso de implantación (HJ Kang, Z Rosenwaks, 2018).

Diabetes de tipo 2:

La diabetes de tipo 2 es la enfermedad que presenta el organismo que padece glucemia, en otras palabras, una elevada concentración de glucosa en sangre. Expertos aseguran que la p53 tiene cabida en la aparición de esta patología, puesto que esta proteína reprime la expresión y por lo tanto, la sintetización de transportadores de glucosa como el GLUT1 y GLUT4 (González Rellán, 2021) que transportan la glucosa al interior de las células, disminuyendo su concentración en sangre, y posibilitando la obtención de energía. La falta de estos transportadores impide la entrada de glucosa, de ahí que se dé su acumulación en la sangre. 

Conjuntamente, la p53 es capaz de manejar la capacidad gluconeogénica del individuo. De esta manera, si los niveles de p53 son bajos, el individuo presenta una deficiente capacidad gluconeogénica, mientras que en individuos que presentan una alta concentración de p53, tal y como se ha observado en diabéticos de tipo 2, como su capacidad gluconeogénica (capacidad para la producción de glucosa) es significativamente elevada, no es de extrañar que expongan un alto nivel de glucosa en sangre (González Rellán, 2021).

Al mismo tiempo, cabe mencionar la relación entre la p53 y la insulina. La insulina es una hormona que introduce glucosa en las células para la obtención de energía. Se ha observado que cuando la p53 se encuentra en altos niveles (como en los diabéticos de tipo 2), inhibe la vía que lleva a acabo la expresión de los receptores de insulina (González Rellán, 2021), por lo que, si la vía quedase inhibida, no se daría la síntesis de los receptores de insulina y esta hormona no podría regular la entrada de glucosa en las células, acumulándose.

Finalmente, la p53 está vinculada con la resistencia y la sensibilidad frente a la insulina. Sencillamente, en los altos niveles de p53 que aparecen en los diabéticos, surge la resistencia frente a la hormona. Esto se debe a que la célula dada la decreciente síntesis de receptores de insulina, no puede hacer frente a la misma cantidad de insulina de la misma manera, y por consiguiente, no puede absorber en la misma medida la glucosa presente en la sangre. Dicho de otra manera, cuánto menor sea la cantidad de p53 en el organismo, mayor sensibilidad tendrán las células frente a la insulina y más eficientemente se dará la entrada de glucosa (González Rellán, 2021).

En conclusión, la proteína regula la homeostasis de la glucosa de diferentes modos.


TERAPIA GÉNICA:

Una de las aplicaciones de la p53 que puede salvar más vidas, es su uso en la terapia génica, que consiste en la inyección por vía arterial o directamente en el tumor de un vector adenoviral que contenga el gen que codifique la proteína p53 activa. Diversas pruebas clínicas demuestran la capacidad de estas terapias para inhibir el crecimiento tumoral o aumentar la eficacia de tratamientos como la radioterapia y la quimioterapia. Pese a ser la terapia génica un campo todavía en desarrollo, en China ya se ha autorizado la comercialización de un producto que sigue esta base, siendo este el primero en el mundo utilizando este tipo de terapias (M. Ruiz Castellanos & B. Sangro, 2005)


CONCLUSIÓN FINAL:

Todo esto hace que esta proteína esté en el punto de mira de diversas investigaciones, destacando las oncológicas, debido a su gran potencial en la supresión de tumores. Por eso, se espera que sea la llave que nos abra la puerta para vencer la batalla contra el cáncer, a nivel mundial.


BIBLIOGRAFÍA:

  • Bai, L., & Zhu, W. G. (2006). p53: structure, function and therapeutic applications. J Cancer Mol, 2(4), 141-153.
  • Books, C., Corner, E., Geis, I., & Goodsell, D. MDM2 and Cancer.
  • da Mandoza, G., & Barbará, G. (1999). P53: factores que modulan su actividad reguladora. mana, 1, 6_10.
  • González Rellán, M. J. (2021). Papel de p53 en la gluconeogénesis hepática.
  • Hu, B., Gilkes, D. M., Farooqi, B., Sebti, S. M., & Chen, J. (2006). MDMX overexpression prevents p53 activation by the MDM2 inhibitor Nutlin. Journal of Biological Chemistry, 281(44), 33030-33035.
  • Kang, H. J., & Rosenwaks, Z. (2018). p53 and reproduction. Fertility and sterility, 109(1), 39-43. 
  • Levine, A. J. (2019). The many faces of p53: something for everyone. Journal of molecular cell biology, 11(7), 524-530.
  • Ruiz Castellanos, M., & Sangro, B. (2005, April). Terapia génica:¿ Qué es y para qué sirve?. In Anales del Sistema Sanitario de Navarra (Vol. 28, No. 1, pp. 17-27). Gobierno de Navarra. Departamento de Salud.
  • Silva, A., del Arroyo, A. G., Arias, C., & Lazaro, I. Estructura, regulación y funciones del gen supresor de tumores p53. In V Congreso Virtual Hispanoamericano de Anatomía Patológica. Coganat-2002 [citado: 07 de Diciembre del 2019].
  • Zhelev, N. (2012). Man of Science: Celebrating Professor Sir David Lane’s 60th anniversary. Biodiscovery, 1, e8921.

FUENTES LINKS: