ATM 激酶活化變單體后產(chǎn)生的影響
ATM (Ataxia-telangiectasia mutated proteins) 是一種絲氨酸-蘇氨酸蛋白激酶，是 DNA 損傷應(yīng)答 (DDR) 的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子。ATM 是位名副其實的“指揮官”，在 DNA 雙鏈斷裂 (DSB) 中，參與細胞周期檢查點維護、DNA 損傷修復(fù)和端粒維護等，在調(diào)節(jié)細胞對 DNA 損傷的反應(yīng)中發(fā)揮重要作用。ATM 的激活在阻礙腫瘤發(fā)生、代謝綜合癥和神經(jīng)退行性疾病中起重要作用。
被激活后都變成單身
ATM 屬于 PI3K 樣蛋白激酶 (PIKKs) 家族，PIKKs 家族包括了幾種和 DNA 修復(fù)和損傷信號相關(guān)的酶：ATM、ATR 和 DNA-PKcs。PIKKs 的四個蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)域是保守的，包括 FRAP-ATM-TRRAP 域 (FAT)、激酶結(jié)構(gòu)域 (KD)、PIKK 調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)域 (PRD) 和 FAT-C 末端結(jié)構(gòu)域 (FATC)。
在生理條件下，ATM 通常作為同二聚體 (非活化狀態(tài)) 主要存在細胞核中，被激活后，“相擁而眠”的 ATM 變?yōu)閱误w。 發(fā)生 DSB 后，異源三聚體 MRE11-RAD50-NBS1 (MRN) 復(fù)合物與 dsDNA 末端結(jié)合，介導(dǎo)了 ATM 招募到 DSB 位點，這個過程中伴隨著 ATMS1981p 位點自磷酸化和 ATM 單體化，ATM 與 MRN 復(fù)合物的 NBS1 組分結(jié)合，以及 ATM 的蛋白激酶活性和底物親和力的增加。ATMS367p、ATMS1893p 和 ATMS2996p 這些位點的自磷酸化作用也有助于 ATM 的單體化，另外，其單體化還依賴于通過 KAT5/Tip60 組蛋白乙酰轉(zhuǎn)移酶乙酰化 (Ac) 作用形成 ATMK3016ac。
圖 1. ATM 的激活[3]
ATM 與 DSB 關(guān)系大揭秘
DNA 損傷引起特定的傳感器蛋白與 ATM、ATR 和 DNA-PKcs 相互作用，從而導(dǎo)致這些蛋白激酶的激活并被募集到受損部位。
ATM 是 DSB 反應(yīng)的主調(diào)節(jié)器，被 MRN 復(fù)合物完全激活后，原本靜止的 ATM 變成一個“貪婪”的磷酸化機器。ATM 能磷酸化 700 多個底物蛋白上的絲氨酸/蘇氨酸-谷氨酰胺基序 (S/T-Q motifs)。ATM 通過磷酸化下游多種蛋白，包括 p53、Chk2、BRCA1、 RPAp34、H2AX、SMC1、FANCD2、Rad17、Artemis 和 Nbs1 等，啟動信號級聯(lián)，參與細胞周期檢查點控制、凋亡反應(yīng)和 DNA 修復(fù)等。
圖 2. DDR 級聯(lián)反應(yīng)和 ATM[7]
ATM 與細胞周期：是緣是劫？
通過電離輻射 (IR) 或其他手段誘導(dǎo) DSBs 后，ATM 直接磷酸化 p53S15、CHK2T68 和 MDM2S395 三個蛋白參與 p53 功能和水平的調(diào)控，CHK2 激酶被 ATM 激活后，又反過來磷酸化 p53S20，這一磷酸化事件和 MDM2 的磷酸化可能都會抑制 MDM2 與 p53 的結(jié)合，導(dǎo)致 p53 蛋白水平的升高，p53 轉(zhuǎn)錄水平升高又誘導(dǎo) p21 的表達抑制 CDK2，從而觸發(fā) G1/S 檢查點，發(fā)生周期 G1 期阻滯。
被激活的 ATM 也磷酸化了 MRE11-RAD50-NBS1-BRCA1 復(fù)合體中的 NBS1，這條途徑誘導(dǎo)了 S 期阻滯。此外，被 ATM 磷酸化并激活后的 CHK2 也可能通過磷酸化 BRCA1 或 NBS1 參與該通路。S 期檢查點的調(diào)節(jié)很復(fù)雜，涉及多種途徑。
圖 3. ATM 在細胞周期檢查點中的作用[5]
ATM 的激活還會觸發(fā) G2/M 檢查點，誘導(dǎo) G2 期的阻滯。ATM 磷酸化 CHK2、CHK2， CHK2 和 CHK2 再磷酸化各自的關(guān)鍵底物蛋白質(zhì)磷酸酶 CDC25A 和 CDC25C，并抑制它們的功能，使 CDC25A 無法激活 CDK2 和促進 S 期的進程，而 CDC25C 無法激活 CDC2 和促進從 G2 進入有絲分裂的進程，從而造成 S 期或 G2 期阻滯。
一方面，ATM 的激活阻滯了細胞周期進程，并通過磷酸化多種底物來啟動 DNA 修復(fù)。另一方面，如果 DNA 損傷無法修復(fù)，細胞將走向凋亡，以維持機體正常的生命進程。在癌癥中抑制 ATM，使 ATM-CHK2 和 ATR-CHK1 途徑失活，能誘導(dǎo)腫瘤細胞對放射療法和化學(xué)療法敏感。
ATM 被視為細胞對 DSB 響應(yīng)的中央控制器，在多個功能領(lǐng)域發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，靶向 ATM 的研究對抗癌藥物的開發(fā)有著重大的意義。
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相關(guān)化合物 |
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有效的 ATM/ATR 抑制劑，用于癌癥研究。 |
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口服可利用的，可穿透血腦屏障的 ATM 抑制劑，IC50 <6.2 nM。在細胞中抑制 ATM，IC50 為 0.31 μM。 |
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可逆的 ATM 抑制劑，IC50 值為 4.1 μM，對 PI3K，PIKKs 家族其他蛋白沒有作用。 |
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抑制 ATM 磷酸化和 DNA 修復(fù)。 |
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Cell Counting Kit-8，簡稱CCK-8試劑盒或CCK8試劑盒，是一種基于WST-8而廣泛應(yīng)用于細胞活性和細胞毒性檢測的快速、高靈敏度試劑盒。 |
縮寫：
ATM: Ataxia-telangiectasia mutated proteins
A-T: Ataxia-telangiectasia
FAT domain: FRAP-ATM-TRRAP domain
KD: Kinase domain
PRD: PIKK-regulatory domain
FATC domain: FAT-C-terminal domain
IR: Ionizing radiation
DSB: Doublestrand breaks
PTMs: Post-translational modifications
DDR: DNA damage response
ATR: Ataxia telangiectasia and Rad3-related
DNA-PKcs: DNA-dependent protein kinase catalytic subunit
PIKKs: Phosphatidylinositol (PI) 3-kinase-like kinases
參考文獻
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1. J-H Lee, et al. Activation and regulation of ATM kinase activity in response to DNA double-strand breaks. Oncogene. 2007 Dec 10;26(56):7741-8.
2. Mei Hua Jin, et al. A repair in cancer. Pharmacol Ther. 2019 Nov; 203: 107391.
3. Tanya T Paull. Mechanisms of ATM Activation. Annu Rev Biochem. 2015;84:711-38.
4. Andrew N Blackford, et al. ATM, ATR, and DNA-PK: The Trinity at the Heart of the DNA Damage Response. Mol Cell. 2017 Jun 15;66(6):801-817.
5. Kastan, M. B., et al. THE MANY SUBSTRATES AND FUNCTIONS OF ATM. Nature Reviews Molecular Cell Biology. 2000. 1(3), 179-186.
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