Cells transmit information through molecular signals that often show complex dynamical patterns. The dynamic behavior of the tumor suppressor p53 varies depending on the stimulus; in response to double-strand DNA breaks, it shows a series of repeated pulses. Using a computational model, we identified a sequence of precisely timed drug additions that alter p53 pulses to instead produce a sustained p53 response. This leads to the expression of a different set of downstream genes and also alters cell fate: Cells that experience p53 pulses recover from DNA damage, whereas cells exposed to sustained p53 signaling frequently undergo senescence. Our results show that protein dynamics can be an important part of a signal, directly influencing cellular fate decisions.

Summary

 DNA damage initiates a series of p53 pulses. Although much is known about the interactions surrounding p53, little is known about which interactions contribute to p53's dynamical behavior. The simplest explanation is that these pulses are oscillations intrinsic to the p53/Mdm2 negative feedback loop. Here we present evidence that this simple mechanism is insufficient to explain p53 pulses; we show that p53 pulses are externally driven by pulses in the upstream signaling kinases, ATM and Chk2, and that the negative feedback between p53 and ATM, via Wip1, is essential for maintaining the uniform shape of p53 pulses. We propose that p53 pulses result from repeated initiation by ATM, which is reactivated by persistent DNA damage. Our study emphasizes the importance of collecting quantitative dynamic information at high temporal resolution for understanding the regulation of signaling pathways and opens new ways to manipulate p53 pulses to ask questions about their function in response to DNA damage.

DNA double-strand breaks are repaired by two main pathways: nonhomologous end joining (NHEJ) and homologous recombination (HR). The choice between these pathways depends on cell-cycle phase; however the continuous effect of cell cycle on the balance between them is still unclear. We used live cell imaging and fluorescent reporters for 53BP1, Rad52, and cell cycle to quantify the relative contribution of NHEJ and HR at different points of the cell cycle in single cells. We found that NHEJ is the dominant repair pathway in G1 and G2 even when both repair pathways are functional. The shift from NHEJ to HR is gradual, with the highest proportion of breaks repaired by HR in mid S, where the amount of DNA replication is highest. Higher proportions of HR also strongly correlate with slower rates of repair. Our study shows that the choice of repair mechanism is continuously adjusted throughout the cell cycle and suggests that the extent of active replication, rather than the presence of a sister chromatid influences the balance between the two repair pathways in human cells.

Many biological networks respond to various inputs through a common signaling molecule that triggers distinct cellular outcomes.One potential mechanism for achieving specific input-output relationships is to trigger distinct dynamical patterns in response to different stimuli.Here we focused on the dynamics of p53, a tumor suppressor activated in response to cellular stress.We quantified the dynamics of p53 in individual cells in response to UV and observed a single pulse that increases in amplitude and duration in proportion to the UV dose.This graded response contrasts with the previously described series of fixed pulses in response to c-radiation.We further found that while c-triggered p53 pulses are excitable, the p53 response to UV is not excitable and depends on continuous signaling from the input-sensing kinases.Using mathematical modeling and experiments, we identified feedback loops that contribute to specific features of the stimulusdependent dynamics of p53, including excitability and input-duration dependency.Our study shows that different stresses elicit different temporal profiles of p53, suggesting that modulation of p53 dynamics might be used to achieve specificity in this network.

Mitotic arrest induced by antimitotic drugs can cause apoptosis or p53-dependent cell cycle arrest. It can also cause DNA damage, but the relationship between these events has been unclear. Live, single-cell imaging in human cancer cells responding to an antimitotic kinesin-5 inhibitor and additional antimitotic drugs revealed strong induction of p53 after cells slipped from prolonged mitotic arrest into G1. We investigated the cause of this induction. We detected DNA damage late in mitotic arrest and also after slippage. This damage was inhibited by treatment with caspase inhibitors and by stable expression of mutant, noncleavable inhibitor of caspase-activated DNase, which prevents activation of the apoptosis-associated nuclease caspase-activated DNase (CAD). These treatments also inhibited induction of p53 after slippage from prolonged arrest. DNA damage was not due to full apoptosis, since most cytochrome C was still sequestered in mitochondria when damage occurred. We conclude that prolonged mitotic arrest partially activates the apoptotic pathway. This partly activates CAD, causing limited DNA damage and p53 induction after slippage. Increased DNA damage via caspases and CAD may be an important aspect of antimitotic drug action. More speculatively, partial activation of CAD may explain the DNA-damaging effects of diverse cellular stresses that do not immediately trigger apoptosis.

Abstract Decision-making is a fundamental aspect of life. However, our understanding of how cells encode and decode information to enable reliable fate decisions remains limited. Employing live cell imaging and automated analysis, our research unveils substantial heterogeneity in the cellular response to TGFβ and sheds light on the intricate link between the dynamics of SMAD signaling, the state of individual cells and their fate decisions.

Abstract TGFβ-signaling regulates cancer progression by controlling cell division, migration and death. These outcomes are mediated by gene expression changes, but the mechanisms of decision making towards specific fates remain unclear. Here, we combine SMAD transcription factor imaging, genome-wide RNA sequencing and morphological assays to quantitatively link signaling, gene expression and fate decisions in mammary epithelial cells. Fitting genome-wide kinetic models to our time-resolved data, we find that the majority of TGFβ target genes can be explained as direct targets of SMAD transcription factors, whereas the remainder show signs of complex regulation, involving delayed regulation and strong amplification at high TGFβ doses. Knockdown experiments followed by global RNA sequencing revealed transcription factors interacting with SMADs in feedforward loops to control delayed and dose-discriminating target genes, thereby reinforcing the specific epithelial-to-mesenchymal transition at high TGFβ doses. We identified early repressors, preventing premature activation, and a late activator, boosting gene expression responses for a sufficiently strong TGFβ stimulus. Taken together, we present a global view of TGFβ-dependent gene regulation and describe specificity mechanisms reinforcing cellular decision making.

Cellular signaling systems precisely transmit information in the presence of molecular noise while retaining flexibility to accommodate the needs of individual cells. To understand design principles underlying such versatile signaling, we analyzed the response of the tumor suppressor p53 to varying levels of DNA damage in hundreds of individual cells and observed a switch between distinct signaling modes characterized by isolated pulses and sustained oscillations of p53 accumulation. Guided by dynamic systems theory we show that this requires an excitable network structure comprising positive feedback and provide experimental evidence for its molecular identity. The resulting dataN driven model reproduced all features of measured signaling responses and explained their heterogeneity in individual cells. We predicted and validated that heterogeneity in the levels of the feedback regulator Wip1 sets cellNspecific thresholds for p53 activation, providing means to modulate its response through interacting signaling pathways. Our results demonstrate how excitable signaling networks provide high specificity, sensitivity and robustness while retaining unique possibilities to adjust their function to the physiology of individual cells.