The tumor suppressor p53 gene is mutated in minimally half of all cancers. It is therefore reasonable to assume that naturally occurring polymorphic genetic variants in the p53 stress response pathway might determine an individual's susceptibility to cancer. A central node in the p53 pathway is the MDM2 protein, a direct negative regulator of p53. In this report, a single nucleotide polymorphism (SNP309) is found in the MDM2 promoter and is shown to increase the affinity of the transcriptional activator Sp1, resulting in higher levels of MDM2 RNA and protein and the subsequent attenuation of the p53 pathway. In humans, SNP309 is shown to associate with accelerated tumor formation in both hereditary and sporadic cancers. A model is proposed whereby SNP309 serves as a rate-limiting event in carcinogenesis.

Whereas cell cycle arrest, apoptosis, and senescence are traditionally thought of as the major functions of the tumor suppressor p53, recent studies revealed two unique functions for this protein: p53 regulates cellular energy metabolism and antioxidant defense mechanisms. Here, we identify glutaminase 2 (GLS2) as a previously uncharacterized p53 target gene to mediate these two functions of the p53 protein. GLS2 encodes a mitochondrial glutaminase catalyzing the hydrolysis of glutamine to glutamate. p53 increases the GLS2 expression under both nonstressed and stressed conditions. GLS2 regulates cellular energy metabolism by increasing production of glutamate and α-ketoglutarate, which in turn results in enhanced mitochondrial respiration and ATP generation. Furthermore, GLS2 regulates antioxidant defense function in cells by increasing reduced glutathione (GSH) levels and decreasing ROS levels, which in turn protects cells from oxidative stress (e.g., H 2 O 2 )-induced apoptosis. Consistent with these functions of GLS2, the activation of p53 increases the levels of glutamate and α-ketoglutarate, mitochondrial respiration rate, and GSH levels and decreases reactive oxygen species (ROS) levels in cells. Furthermore, GLS2 expression is lost or greatly decreased in hepatocellular carcinomas and the overexpression of GLS2 greatly reduced tumor cell colony formation. These results demonstrated that as a unique p53 target gene, GLS2 is a mediator of p53’s role in energy metabolism and antioxidant defense, which can contribute to its role in tumor suppression.

The insulin-like growth factor 1 (IGF-1)-AKT-mTOR pathways sense the availability of nutrients and mitogens and respond by signaling for cell growth and division. The p53 pathway senses a variety of stress signals which will reduce the fidelity of cell growth and division, and responds by initiating cell cycle arrest, senescence, or apoptosis. This study explores four p53-regulated gene products, the beta1 and beta2 subunits of the AMPK, which are shown for the first time to be regulated by the p53 protein, TSC2, PTEN, and IGF-BP3, each of which negatively regulates the IGF-1-AKT-mTOR pathways after stress. These gene products are shown to be expressed under p53 control in a cell type and tissue-specific fashion with the TSC2 and PTEN proteins being coordinately regulated in those tissues that use insulin-dependent energy metabolism (skeletal muscle, heart, white fat, liver, and kidney). In addition, these genes are regulated by p53 in a stress signal-specific fashion. The mTOR pathway also communicates with the p53 pathway. After glucose starvation of mouse embryo fibroblasts, AMPK phosphorylates the p53 protein but does not activate any of the p53 responses. Upon glucose starvation of E1A-transformed mouse embryo fibroblasts, a p53-mediated apoptosis ensues. Thus, there is a great deal of communication between the p53 pathway and the IGF-1-AKT and mTOR pathways.

Regulation of energy metabolism is a novel function of p53 in tumor suppression. Parkin (PARK2) , a Parkinson disease-associated gene, is a potential tumor suppressor whose expression is frequently diminished in tumors. Here Parkin was identified as a p53 target gene that is an important mediator of p53's function in regulating energy metabolism. The human and mouse Parkin genes contain functional p53 responsive elements, and p53 increases the transcription of Parkin in both humans and mice. Parkin contributes to the function of p53 in glucose metabolism; Parkin deficiency activates glycolysis and reduces mitochondrial respiration, leading to the Warburg effect. Restoration of Parkin expression reverses the Warburg effect in cells. Thus, Parkin deficiency is a novel mechanism for the Warburg effect in tumors. Parkin also contributes to the function of p53 in antioxidant defense. Furthermore, Parkin deficiency sensitizes mice to γ-irradiation-induced tumorigenesis, which provides further direct evidence to support a role of Parkin in tumor suppression. Our results suggest that as a novel component in the p53 pathway, Parkin contributes to the functions of p53 in regulating energy metabolism, especially the Warburg effect, and antioxidant defense, and thus the function of p53 in tumor suppression.

Tumour cells primarily utilize aerobic glycolysis for energy production, a phenomenon known as the Warburg effect. Its mechanism is not well understood. The tumour suppressor gene p53 is frequently mutated in tumours. Many tumour-associated mutant p53 (mutp53) proteins not only lose tumour suppressive function but also gain new oncogenic functions that are independent of wild-type p53, defined as mutp53 gain of function (GOF). Here we show that tumour-associated mutp53 stimulates the Warburg effect in cultured cells and mutp53 knockin mice as a new mutp53 GOF. Mutp53 stimulates the Warburg effect through promoting GLUT1 translocation to the plasma membrane, which is mediated by activated RhoA and its downstream effector ROCK. Inhibition of RhoA/ROCK/GLUT1 signalling largely abolishes mutp53 GOF in stimulating the Warburg effect. Furthermore, inhibition of glycolysis in tumour cells greatly compromises mutp53 GOF in promoting tumorigenesis. Thus, our results reveal a new mutp53 GOF and a mechanism for controlling the Warburg effect. Many cancers harbour mutations in the tumour suppressor p53, which often then gains oncogenic functions. Here, the authors show that mutant p53 enhances glycolysis in tumour cells by promoting glucose uptake via a mechanism involving GLUT1, RhoA and ROCK.

The tumor suppressor gene p53 is frequently mutated in cigarette smoke (CS)-related lung cancer. The p53 binding pattern of carcinogenic polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) found in CS coincides with the p53 mutational pattern found in lung cancer, and PAHs have thus been considered to be major culprits for lung cancer. However, compared with other carcinogenic compounds, such as aldehydes, the amount of PAHs in CS is minute. Acrolein (Acr) is abundant in CS, and it can directly adduct DNA. Acr-DNA adducts, similar to PAH-DNA adducts, induce predominantly G-to-T transversions in human cells. These findings raise the question of whether Acr-DNA adducts are responsible for p53 mutations in CS-related lung cancer. To determine the role of Acr-DNA adducts in p53 mutagenesis in CS-related lung cancer we mapped the distribution of Acr-DNA adducts at the sequence level in the p53 gene of lung cells using the UvrABC incision method in combination with ligation-mediated PCR. We found that the Acr-DNA binding pattern is similar to the p53 mutational pattern in human lung cancer. Acr preferentially binds at CpG sites, and this enhancement of binding is due to cytosine methylation at these sequences. Furthermore, we found that Acr can greatly reduce the DNA repair capacity for damage induced by benzo[a]pyrene diol epoxide. Together these results suggest that Acr is a major etiological agent for CS-related lung cancer and that it contributes to lung carcinogenesis through two detrimental effects: DNA damage and inhibition of DNA repair.

Recent observations show that the single-cell response of p53 to ionizing radiation (IR) is "digital" in that it is the number of oscillations rather than the amplitude of p53 that shows dependence on the radiation dose. We present a model of this phenomenon. In our model, double-strand break (DSB) sites induced by IR interact with a limiting pool of DNA repair proteins, forming DSB-protein complexes at DNA damage foci. The persisting complexes are sensed by ataxia telangiectasia mutated (ATM), a protein kinase that activates p53 once it is phosphorylated by DNA damage. The ATM-sensing module switches on or off the downstream p53 oscillator, consisting of a feedback loop formed by p53 and its negative regulator, Mdm2. In agreement with experiments, our simulations show that by assuming stochasticity in the initial number of DSBs and the DNA repair process, p53 and Mdm2 exhibit a coordinated oscillatory dynamics upon IR stimulation in single cells, with a stochastic number of oscillations whose mean increases with IR dose. The damped oscillations previously observed in cell populations can be explained as the aggregate behavior of single cells.

SUMMARY The adult gut epithelium has a remarkable ability to recover from damage. To achieve cellular therapies aimed at restoring and/or replacing defective gastrointestinal tissue, it is important to understand the natural mechanisms of tissue regeneration. We employed a combination of high throughput sequencing approaches, mouse genetic models, and murine and human organoid models, and identified a role for TGFB signaling during intestinal regeneration following injury. At 2 days following irradiation (IR)-induced damage of intestinal crypts, a surge in TGFB1 expression is mediated by monocyte/macrophage cells at the location of damage. Depletion of macrophages or genetic disruption of TGFB-signaling significantly impaired the regenerative response following irradiation. Murine intestinal regeneration is also characterized by a process where a fetal transcriptional signature is induced during repair. In organoid culture, TGFB1-treatment was necessary and sufficient to induce a transcriptomic shift to the fetal-like/regenerative state. The regenerative response was enhanced by the function of mesenchymal cells, which are also primed for regeneration by TGFB1. Mechanistically, integration of ATAC-seq, scRNA-seq, and ChIP-seq suggest that a regenerative YAP-SOX9 transcriptional circuit is activated in epithelium exposed to TGFB1. Finally, pre-treatment with TGFB1 enhanced the ability of primary epithelial cultures to engraft into damaged murine colon, suggesting promise for the application of the TGFB-induced regenerative circuit in cellular therapy. GRAPHIC ABSTRACT