Entgegen dem initial postulierten Paradigma einer strikten p53-Abhängigkeit p14ARF-vermittelter Signale, belegen unsere Daten die Existenz eines p53/Bax- unabhängigen mitochondrialen Apoptosesignalweges. Dieser wird durch die BH3-only Protein-vermittelte Aktivierung des pro-apoptotischen Bcl-2 Homologs Bak exekutiert. Darüber hinaus kommt es zur Herunterregulation der Apoptose- hemmenden Bcl-2 Proteine Mcl-1 und Bcl-xL, wodurch der Apoptose-induzierende Effekt nach Expression von p14ARF weiter verstärkt wird. Demgegenüber wird die Aktivierung des mitochondrialen Apoptosesignalweges in p53-profizienten Zellen präferenziell durch die p53-vermittelte Aktivierung des BH3-only Proteins Puma und dessen Effektor Bax ausgeführt. Der Verlust von Bax kann jedoch durch das pro-apoptotisches Bak nahezu vollständig kompensiert werden. Die differenzielle Aktivierung von Bax und/oder Bak im Rahmen der p14ARF- induzierten Apoptose unterstreicht die zentrale Rolle der BH3-only Proteine bei der Vermittlung und Integration von Apoptosesignalen. Im Vergleich zur Apoptoseregulation ist die Induktion eines Arrestes in der G1-Phase des Zellzyklus nach Expression von p14ARF strikt an einen funktionstüchtigen p53-Signalweg gekoppelt. Hierbei spielt vor allem die transkriptionelle und funktionelle Aktivierung des CDK-Inhibitors p21 eine zentrale Rolle. Nach Verlust, z.B. Deletion, von p53 und/oder p21 arretieren p14ARF-exprimierende Zellen hingegen in der G2-Phase des Zellzyklus. Dies wird durch Aktivierung des DNA-Schädigungssignalweges, vermittelt via Herunterregulation der CDK1-Kinase, erreicht. Im Gegenzug resultiert ein Verlust der G2-Restriktionspunktkontrolle, z.B. durch Inaktivierung des CDK-Inhibitors p21 oder nach Deletion des G2/M-Regulators 14-3-3sigma, in einer Sensibilisierung gegenüber p14ARF-induzierter Apoptose. Diese Abläufe könnten einen fail-safe Mechanismus darstellen, welcher es genomisch instabilen Zellen erlaubt, Zelltodprogramme auch nach Verlust von p53 und/oder p21 zu aktivieren. Diese Befunde sind sehr bedeutsam, da der p14ARF Tumorsuppressor eine zentrale Rolle bei der Vermittlung von Zellzyklusarrest, Apoptose und Seneszenz spielt. Weit mehr als die Hälfe aller Tumore weisen eine direkte oder indirekte Inaktivierung des p14ARF-Signalweges auf. Umfangreiche experimentelle Daten belegen eindrucksvoll, dass diese Veränderungen nicht nur für die Entstehung und Progression einer Reihe von Tumorerkrankungen bedeutsam sind, sondern auch prognostischen Stellenwert haben. Die detaillierte Analyse und funktionelle Dissektion der beteiligten Apoptose- und Zellzyklus-regulierenden Signalwege ist daher nicht nur von rein zellbiologischem Interesse, sondern hat auch eine hohe klinische Relevanz.
The p14ARF tumor suppressor pathway plays a central role in the regulation of cell cycle arrest, apoptosis and senescence following oncogene activation. More than 50% of all human tumors display a functional inactivation of the p14ARF tumorsuppressor signaling pathway. Numerous studies underscore that this is highly relevant for the formation and progression of human malignancies. Furthermore, the analysis of the alterations have a strong prognostsic impact in a number of tumor entities including acute leukemias, lymphomas a number of solid tumors. Therefore, the functional dissection of the p14ARF tumorsuppressor pathway is not only of cell biological interest, but has important clinical implications. In contrast to the initially proposed paradigm of a strict p53-dependence, we delineated that the p14ARF tumor suppressor is capable of triggering p53-independent cell cycle arrest and apoptosis signals in human tumor cells. Latter is mediated by the activation of the pro-apoptotic Bcl-2 Homolog Bak and down-regulation of its anti- apoptotic counterpart Mcl-1. In contrast, apoptosis induction by p14ARF in p53-proficient cells is mediated by the pro-apoptotic BH3-only protein Puma/bbc3, which, in turn, triggers activation of either Bax. In p53-proficient cells, the loss of Bax can be readily compensated by its Homolog Bak. This differential regulation of Bax and/or Bak during p14ARF- induced apoptosis underscores the central role of BH3-only proteins in integrating and propagating cell death signals. In contrast to apoptosis regulation, induction of an arrest in G1-phase of the cell cycle upon expression of p14ARF strictly depends on the p53 tumor suppressor protein and its target p21 in human tumor cells. Nonetheless, loss or p53 and/p21 skews cell cycle arrest upon expression of p14ARF towards the induction of a G2-arrest, which is mediated by the distal DNA-damage signaling pathway. Specifically, expression of p14ARF triggers the down-regulation and functional inactivation of CDK1 (p34cdc2). In turn, loss of G2-restriction point control following inactivation of p21 or 14-3-3sigma proteins, greatly sensitizes towards apoptosis induction upon expression of the p14ARF tumor suppressor. This might represent a fail-safe mechanism, which allows tumor cells that have p53 and/or p21 activity to arrest or undergo apoptotic cell death.
