p53 has been called “the guardian of the genome” or “cellular gatekeeper” because of its prominent role in responding to a wide range of cellular stress signals. It is a key tumor suppressor in mammalian cells and one of the most studied human genes, as loss of p53 function is a common feature in the majority of cancers. Upon genotoxic stress, p53 accumulates in the nucleus and acts as a transcription factor activating the expression of genes involved in cell cycle arrest, apoptosis and senescence in order to maintain genome integrity. Three kinases belonging to the PI3K-like kinase family, ATM, ATR and DNA-PKcs, are responsible for p53 phosphorylation and stabilization. However, it is at present unclear how these kinases act in concert to regulate p53. Using specific inhibitors and quantitative analysis at the single cell level, the contribution of each kinase for regulating p53 activity upon genotoxic stress was characterized. ATM and ATR loss was compensated by the remaining kinases, while DNA-PKcs inhibition led to an amplification in the p53 response. DNA-PKcs loss caused ATM hyper-activation, which was responsible for the increased p53 accumulation that sensitized cells for damage-induced senescence. Although the role of p53 as a tumor suppressor has been mainly attributed to its ability to induce terminal cell fates, such as senescence, in recent years p53 has emerged as a regulator of several aspects of cellular homeostasis including cell metabolism. Many cancer cells primarily use glycolysis for energy production instead of oxidative phosphorylation (Warburg effect). Interestingly, p53 has been reported to inhibit glycolysis and promote mitochondrial respiration through different mechanisms, facts that can help cells to curb the acquisition of the Warburg effect. However, the way p53 exerts its homeostatic functions is not completely known. In this thesis, a combination of genome- and proteome-wide approaches were used to systematically investigate how p53 controls metabolism upon double strand breaks induction. Several novel genes and proteins controlled by p53 and involved in pathways related to oxidative phosphorylation were discovered, especially from fatty acid β-oxidation. Moreover, in this study p53 was described for the first time as a positive regulator of kallikreins, serine proteases whose dysregulation is clearly associated with cancer.
p53 wurde wegen seiner wichtigen Rolle, auf eine Vielzahl von zellulären Stress-Signalen zu reagieren, „der Wächter des Genoms” oder „zellulärer Pförtner” genannt. p53 ist ein Haupttumorsuppressor in Säugerzellen und eines der am meisten untersuchten menschlichen Gene, da der Verlust der p53-Funktion ein gemeinsames Merkmal bei den meisten Krebsarten ist. In der zellulären Signalantwort auf genotoxischen Stress akkumuliert p53 im Zellkern und reguliert die Expression von Zielgenen, die an Zellzyklusarrest, Apoptose und Senesenz beteiligt sind, um die Integrität des Genoms aufrechtzuerhalten. Drei Kinasen, die zur Familie der PI3K-like-Kinasen gehören (ATM, ATR und DNA- PKcs), sind verantwortlich für die Phosphorylierung und dadurch bedingte Stabilisierung von p53. Allerdings ist es derzeit unklar, wie diese Kinasen gemeinsam agieren, um p53 zu regulieren. Unter Verwendung spezifischer Inhibitoren und quantitativer Analyse auf Einzelzellebene wurde der Effekt jeder einzelnen Kinase zur Regulierung der p53-Aktivität in der Signalantwort nach genotoxischem Stress charakterisiert. Der Verlust von ATM und ATR wurde durch die verbleibenden Kinasen kompensiert, während DNA-PKcs-Hemmung zu einer Verstärkung in der p53-Antwort geführt hat. Der Verlust von DNA-PKcs verursacht eine Hyperaktivierung von ATM, die für die erhöhte p53 Akkumulation verantwortlich ist und Zellen für schadensinduzierte Seneszenz sensibilisiert. Obwohl die Rolle von p53 als Tumorsuppressor hauptsächlich seiner Fähigkeit zur Induktion von terminalen Zellschicksalsentscheidungen zugeschrieben wird (wie Seneszenz), hat sich in den letzten Jahren p53 als Regulator in mehreren Aspekten der zellulären Homöostase einschließlich des Zellstoffwechsels herausgestellt. Viele Krebszellen verwenden statt der oxidativen Phosphorylierung (Warburg-Effekt) in erster Linie Glykolyse zur Energieerzeugung. Interessanterweise wurde berichtet, p53 würde Glykolyse hemmen und die mitochondriale Atmung durch verschiedene Mechanismen fördern. Diese Faktoren können den Warburg-Effekt auf zellulärer Ebene eindämmen. Jedoch ist die Art und Weise, wie p53 seine homöostatische Funktionen ausübt, nicht vollständig bekannt. In dieser Arbeit wurde durch eine Kombination von genom- und proteomweiten Messungen systematisch untersucht, wie p53 nach Induktion von DNA-Doppelstrangbrüchen den intrazellulären Stoffwechsel reguliert. Mehrere neue Gene und Proteine, die von p53 kontrolliert werden, wurden entdeckt. Diese stehen im Zusammenhang mit Signalkaskaden, die an der oxidativen Phosphorylierung beteiligt sind, insbesondere an der β-Oxidation von Fettsäure. Außerdem wurde p53 in dieser Arbeit zum ersten Mal als positiver Regulator von Kallikreins beschrieben, das sind Serinproteasen, deren Dysregulation eindeutig mit Krebs assoziiert ist.
