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The production of haploid gametes through meiosis is central to the principle of sexual reproduction. The genetic diversity is further enhanced by exchange of genetic material between homologous chromosomes by the crossover mechanism. This mechanism not only requires correct pairing of homologous chromosomes but also efficient repair of the induced DNA double-strand breaks. Oocytes have evolved a unique quality control system that eliminates cells if chromosomes do not correctly align or if DNA repair is not possible. Central to this monitoring system that is conserved from nematodes and fruit fly to humans is the p53 protein family, and in vertebrates in particular p63. In mammals, oocytes are stored for a long time in the prophase of meiosis I which, in humans, can last more than 50 years. During the entire time of this arrest phase, the DNA damage checkpoint remains active. The treatment of female cancer patients with DNA damaging irradiation or chemotherapeutics activates this checkpoint and results in elimination of the oocyte pool causing premature menopause and infertility. Here, we review the molecular mechanisms of this quality control system and discuss potential therapeutic intervention for the preservation of the oocyte pool during chemotherapy.
The p53 family of transcription factors (p53, p63 and p73) covers a wide range of functions critical for development, homeostasis and health of mammals across their lifespan. Beside the well-established tumor suppressor role, recent evidence has highlighted novel non-oncogenic functions exerted by p73. In particular, p73 is required for multiciliated cell (MCC) differentiation; MCCs have critical roles in brain and airways to move fluids across epithelial surfaces and to transport germ cells in the reproductive tract. This novel function of p73 provides a unifying cellular mechanism for the disparate inflammatory and immunological phenotypes of p73-deficient mice. Indeed, mice with Trp73 deficiency suffer from hydrocephalus, sterility and chronic respiratory tract infections due to profound defects in ciliogenesis and complete loss of mucociliary clearance since MCCs are essential for cleaning airways from inhaled pollutants, pathogens and allergens. Cross-species genomic analyses and functional rescue experiments identify TAp73 as the master transcriptional integrator of ciliogenesis, upstream of previously known central nodes. In addition, TAp73 shows a significant ability to regulate cellular metabolism and energy production through direct transcriptional regulation of several metabolic enzymes, such as glutaminase-2 and glucose-6 phosphate dehydrogenase. This recently uncovered role of TAp73 in the regulation of cellular metabolism strongly affects oxidative balance, thus potentially influencing all the biological aspects associated with p73 function, including development, homeostasis and cancer. Although through different mechanisms, p63 isoforms also contribute to regulation of cellular metabolism, thus indicating a common route used by all family members to control cell fate. At the structural level, the complexity of p73's function is further enhanced by its ability to form heterotetramers with some p63 isoforms, thus indicating the existence of an intrafamily crosstalk that determines the global outcome of p53 family function. In this review, we have tried to summarize all the recent evidence that have emerged on the novel non-oncogenic roles of p73, in an attempt to provide a unified view of the complex function of this gene within its family.
Die Tumorprotein-Familie des Proteins p53 besteht aus drei Familienmitgliedern p53, p63 und p73 mit diversen Funktionen als Transkriptionsfaktoren. p53 war das erste Mitglied dieser Familie, das im Jahre 1979 entdeckt wurde und wurde zunächst als krebsverursachendes Protein eingeordnet, weil es in vielen Tumorgeweben in erhöhter Menge vorgefunden wurde. Es wurde allerdings festgestellt, dass der Großteil dieser gefundenen p53-Proteine funktionsunfähig durch Mutationen in ihrer Aminosäuresequenz waren. Unmutiertes p53 hingegen führt zu einem Stopp von Zellteilung oder sogar Zelltod, sofern die Zellen genetischem Stress durch Strahlung oder mutagene Chemikalien ausgesetzt sind. Heute wird p53 als eines der wichtigsten Tumor-Unterdrückungsproteine betrachtet. Die beiden anderen Familienmitglieder p63 und p73 existieren in einer Vielzahl von Isoformen. Neben carboxyterminaler alternativer mRNA-Prozessierung (α, β, γ, usw. Isoformen) führen zwei unabhängige Promotoren auch zu zwei unterschiedlichen Aminotermini. Hier wird zwischen ΔN- und TA-Isoformen unterschieden. Im Falle von p63 treten zwei dominante Isoformen auf, ΔNp63α und TAp63α. Während ΔNp63α eine Rolle in der Differenzierung von Haut spielt, wurde TAp63α bisher ausschließlich in Eizellen gefunden. Dort hat es die Funktion eines Sensors, der die genetische Integrität der weiblichen Keimbahn sicherstellt. Es liegt in Eizellen in hoher Konzentration vor, allerdings in einer komplett inaktiven Form. Werden Schäden im der Erbgut der Eizelle festgestellt, so wird das Protein aktiviert und kann so den Prozess des Zelltods der Eizelle einleiten. Mutationen oder das Fehlen des p63-Genes führen zu Missbildungen während der Entwicklung und zu unvollständig ausgebildeter Haut. Im Falle von p73 gibt es ebenfalls mehrere Isoformen, wobei die Funktionen und Relevanzen der einzelnen Isoformen bisher nicht komplett geklärt werden konnten. Eine p73-negative Maus hat einen diffusen Phänotyp, der sich durch niedrige Intelligenz, fast sterile Männchen und chronische bronchiale Infektion auszeichnet. Generell sind alle Mitglieder der p53-Familie tetramere Proteine und sind nur in diesem Zustand auch aktiv. Die einzige Ausnahme stellt, wie oben beschrieben, TAp63α dar, das in einem inaktiven dimeren Zustand vorliegt und nur durch Modifikation durch zwei unabhängige Kinasen aktiviert werden kann. Dabei geht es in den tetrameren Zustand über und ist daraufhin aktiv.
Alle drei Proteine haben (anhand ihrer längsten Isoform beschrieben) eine konservierte Domänenstruktur. Am Aminoterminus befindet sich zunächst die transaktivierende-Domäne (TAD), die für Interaktionen mit transkriptionellen Koaktivatioren relevant ist. Danach folgt die stark konservierte Desoxyribonukleinsäure (DNA) bindende Domäne (DBD). Sie stellt sicher, dass der Transkriptionsfaktor sequenzspezifisch an der richtigen Stelle auf die DNA bindet. Weitergehend folgt die Tetramerisierungsdomäne (TD), welche den oligomeren Zustand des Proteins herstellt. Im Falle von p53 endet das Protein an dieser Stelle, bei p63 und p73 folgen noch das Sterile-Alpha-Motiv (SAM) und die Transkription-inhibierende Domäne (TID). Die SAM Domäne wird generell als Interaktionsdomäne beschrieben, es konnte allerdings bis dato kein Interaktionspartner gefunden werden. Die TID hat einen negativen Einfluss auf die transkriptionelle Aktivität der Proteine. Im Falle von TAp63α interagiert sie zusätzlich mit der TAD um den Dimeren Zustand zu stabilisieren.
Histon Acetylasen
Die Acetylierung von Histonen ist neben deren Methylierung die wichtigste Modifikation. Sie ist essenziell für die Transkription innerhalb aller eukaryontischen Lebewesen, da sie durch die Modifikation von Histonen die DNA für die DNA-Polymerase II zugänglich macht. Es gibt insgesamt fünf verschiedene, nicht näher miteinander verwandte Familien von Histonacetylasen. Diese Studie beschäftigt sich ausschließlich mit der KAT3 Familie, bestehend aus den Proteinen p300 und CBP. Beide sind hochgradig konserviert, in gefalteten Bereichen der Proteine erreicht die Sequenzidentität fast 100%. Beide Proteine scheinen sehr ähnliche Aufgaben zu erfüllen, die jedoch nicht komplett identisch sind. Die Fehlfunktion von einem Allel von CBP führt zum Krankheitsbild des Rubinstein-Taybi-Syndrom (RTS), während ein Mangel an p300 sich in Mäusen auf das Gedächtnis auswirkt. Der komplette Verlust beider Allele eines der Proteine ist immer tödlich, genauso wie auch Verlust jeweils eines Allels bei beiden Proteinen. Insgesamt vier unabhängige Domänen in p300/CBP sind in der Lange die transaktivierende Domänen der p53-Familie zu binden. Bei zwei der Domänen handelt es sich um Zinkfinger-Proteine (Taz1 und Taz2), die anderen beiden sind kleine, ausschließlich α-helikale Domänen (Kix und IBiD).
Diese Studie beschäftigt sich mit der Lösung von Strukturen von der transaktivierenden Domäne von p63 und p73 mit der p300-Domäne Taz2. Außerdem wurden die Auswirkungen von direkten Acetylierungen von TAp63α charakterisiert und der Effekt von einem potenten p300/CBP Inhibitor auf Oozyten unter genotoxischem Stress analysiert. Zusätzlich wurde die Phosphorylierungskinetiken von Tap63α wärend der Aktivierung durch Kinasen untersucht.
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The function of the p53 transcription factor family is dependent on several folded domains. In addition to a DNA-binding domain, members of this family contain an oligomerization domain. p63 and p73 also contain a C-terminal Sterile α-motif domain. Inhibition of most transcription factors is difficult as most of them lack deep pockets that can be targeted by small organic molecules. Genetic knock-out procedures are powerful in identifying the overall function of a protein, but they do not easily allow one to investigate roles of individual domains. Here we describe the characterization of Designed Ankyrin Repeat Proteins (DARPins) that were selected as tight binders against all folded domains of p63. We determine binding affinities as well as specificities within the p53 protein family and show that DARPins can be used as intracellular inhibitors for the modulation of transcriptional activity. By selectively inhibiting DNA binding of the ΔNp63α isoform that competes with p53 for the same promoter sites, we show that p53 can be reactivated. We further show that inhibiting the DNA binding activity stabilizes p63, thus providing evidence for a transcriptionally regulated negative feedback loop. Furthermore, the ability of DARPins to bind to the DNA-binding domain and the Sterile α-motif domain within the dimeric-only and DNA-binding incompetent conformation of TAp63α suggests a high structural plasticity within this special conformation. In addition, the developed DARPins can also be used to specifically detect p63 in cell culture and in primary tissue and thus constitute a very versatile research tool for studying the function of p63.
Mammalian oocytes are arrested in the dictyate stage of meiotic prophase I for long periods of time, during which the high concentration of the p53 family member TAp63α sensitizes them to DNA damage-induced apoptosis. TAp63α is kept in an inactive and exclusively dimeric state but undergoes rapid phosphorylation-induced tetramerization and concomitant activation upon detection of DNA damage. Here we show that the TAp63α dimer is a kinetically trapped state. Activation follows a spring-loaded mechanism not requiring further translation of other cellular factors in oocytes and is associated with unfolding of the inhibitory structure that blocks the tetramerization interface. Using a combination of biophysical methods as well as cell and ovary culture experiments we explain how TAp63α is kept inactive in the absence of DNA damage but causes rapid oocyte elimination in response to a few DNA double strand breaks thereby acting as the key quality control factor in maternal reproduction.