ATM基因與胰腺導(dǎo)管腺癌發(fā)病及放療增敏研究進(jìn)展

劉顯榮，盧先州

(南華大學(xué)附屬南華醫(yī)院肝膽外科，湖南 衡陽 421001)

胰腺導(dǎo)管腺癌(PDAC)是胰腺惡性腫瘤中最常見的病理類型，占胰腺癌病理分型的80%以上，是歐美國家死亡率排名第四的癌癥，總體5年存活率在4%左右[1-2]。PDAC的發(fā)病機理極其復(fù)雜，涉及眾多基因及蛋白的參與，深入探究影響其發(fā)病與進(jìn)展的基因和信號通路，對PDAC的預(yù)防、早期診斷和治療具有積極意義。共濟失調(diào)毛細(xì)血管擴張癥突變基因(ataxia-telangiectasia mutated gene， ATM)是重要的參與DNA損傷反應(yīng)修復(fù)的基因，在維護(hù)正常DNA的完整性和穩(wěn)定性方面起著重要作用，是重要的抑癌基因，其是否在PDAC的發(fā)病中同樣起到重要作用，亦是眾多學(xué)者關(guān)注的重點，他們試圖找到有力的證據(jù)將ATM與PDAC聯(lián)系起來?，F(xiàn)圍繞ATM基因與PDAC的發(fā)病及放療增敏的研究進(jìn)展作綜述如下。

1 ATM基因概述

ATM基因是由Savitsky等[3]在1995年首次發(fā)現(xiàn)并命名的。它是機體重要的促修復(fù)基因，廣泛存在于機體組織細(xì)胞中，正常健康個體以野生型為主，其編碼產(chǎn)物ATM蛋白激酶分布于細(xì)胞核和細(xì)胞質(zhì)中，以細(xì)胞核為主，通常情況下，ATM蛋白激酶以無活性的二聚體形式存在，解離后方具有生物學(xué)活性[4]。ATM蛋白激酶是一種絲氨酸/蘇氨酸激酶，最初觀察到的功能是其在DNA損傷反應(yīng)中的作用，當(dāng)細(xì)胞DNA雙鏈?zhǔn)茌椛涞葥p傷破壞后，可誘導(dǎo)絲氨酸1981位點 (ser-1981)的快速自動磷酸化，引起二聚體解離并引發(fā)細(xì)胞ATM激酶活性[5-6]。進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)[7-8]，ATM蛋白激酶具有更廣泛的整合和指導(dǎo)各種信號傳導(dǎo)并維持細(xì)胞穩(wěn)態(tài)的功能，這些功能包括調(diào)節(jié)染色質(zhì)重構(gòu)、氧化應(yīng)激和多種組織中的細(xì)胞代謝。近年來越來越多的研究證明，ATM激酶是各種基因毒(genotoxins)如化療藥物及放射線所致DNA損傷生物學(xué)反應(yīng)中同時起諸多信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路的主導(dǎo)激酶(hieratical kinase)，這也是ATM倍受關(guān)注的最重要原因[9]。

細(xì)胞周期中發(fā)生DNA損傷后，ATM蛋白激酶通過磷酸化的方式而活化，并通過一系列蛋白底物如Chk2、p53、Nbs1和p38MAPK等而參與細(xì)胞周期的調(diào)控；在細(xì)胞周期的不同時期或不同應(yīng)激條件下，ATM蛋白激酶作用于相應(yīng)的效應(yīng)底物而組成了不同的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路，主要包括p53通路 (Mdm2-P53、P21通路)、ATM-H2AX組蛋白信號通路、ATM-Chk2-Cdc25信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路、ATM-Nbs1-Smc1/3信號通路、ATM-p38MAPK-MK信號通路等[10]。

2 ATM基因相關(guān)通路與胰腺腫瘤

ATM是DNA損傷反應(yīng)的中樞調(diào)節(jié)劑，起著抗癌屏障的作用，當(dāng)ATM基因缺失或沉默表達(dá)時，DNA損傷將得不到及時的修復(fù)，使受損的DNA雙鏈通過復(fù)制而傳遞給子代，增加基因組不穩(wěn)定性，并可促進(jìn)腺泡至導(dǎo)管再編程(ADR)和腫瘤性病變形成，從而使惡性腫瘤的易感性大大提高[11]。既往的研究已經(jīng)證實ATM基因的缺失或變異與乳腺癌、前列腺癌、黑色素瘤、口咽癌的發(fā)病相關(guān)[12]。國內(nèi)外多項研究發(fā)現(xiàn)，ATM基因在胰腺癌的發(fā)病中同樣扮演著重要的角色。

Roberts等[13]新一代全基因測序研究發(fā)現(xiàn)，遺傳性的ATM突變在家族性胰腺癌易感性中發(fā)揮重要作用，并首次將ATM基因添加到了PDAC易感基因列表當(dāng)中。Drosos等[14]研究者對Kras G12D誘導(dǎo)的小鼠胰腺導(dǎo)管內(nèi)瘤樣變(PanIN)形成的初步分析揭示，與無ATM基因缺失的小鼠相比，在攜帶一個功能性ATM等位基因或缺乏ATM的胰腺組織中，胰腺癌癌前病變PanIN過程顯著提前，推斷ATM基因活動對胰腺中的致癌轉(zhuǎn)化構(gòu)成內(nèi)在屏障作用，ATM缺失可能和KrasG12D合作促進(jìn)了小鼠的廣泛轉(zhuǎn)移性胰腺導(dǎo)管腺癌。ATM基因不僅與胰腺癌的發(fā)病相關(guān)，其表達(dá)程度與腫瘤的分化、轉(zhuǎn)移、預(yù)后等亦有重要相關(guān)性。在胰腺癌標(biāo)本中，ATM及其下游基因p53表達(dá)的陽性染色率顯著低于同年齡段的對照組標(biāo)本，腫瘤的分化、淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移和神經(jīng)浸潤程度與ATM和p53的表達(dá)呈負(fù)相關(guān)，說明ATM除了具有與p53合作修復(fù)細(xì)胞損傷的作用外，ATM缺陷的表達(dá)還可能增加正常胰腺細(xì)胞向腫瘤細(xì)胞轉(zhuǎn)化的能力[15]。Kamphues等[16]依據(jù)ATM表達(dá)程度對PDAC的預(yù)后進(jìn)行分層，發(fā)現(xiàn)Ser1981-ATM完全喪失的患者預(yù)后最差，完全喪失、低表達(dá)及高表達(dá)患者的中值存活時間分別為10.8個月、14.3個月、31.1個月，差異具有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.01)，表明ATM表達(dá)和激活是PDAC中的標(biāo)準(zhǔn)臨床病理參數(shù)的預(yù)后標(biāo)識物。而ATM不同的基因型對胰腺癌的預(yù)后亦存在差異，其中T77C基因型對胰腺癌患者整體生存率的影響最顯著[17]。ATM基因所參與的信號傳導(dǎo)通路錯綜復(fù)雜，上述研究僅說明ATM基因缺失與PDAC的發(fā)病及較差的預(yù)后相關(guān)這一事實，明確相關(guān)通路在當(dāng)中所發(fā)揮的作用才是其關(guān)鍵點。隨著對ATM基因研究的深入，大家把關(guān)注焦點聚集在ATM基因?qū)δ[瘤發(fā)生的抑制機制上，探究ATM基因缺失作為胰腺癌易感因素的分子生物學(xué)機制。

2.1 SOX9-EMT路徑 Russell等[18]研究發(fā)現(xiàn)，在ATM基因缺失的小鼠中，腺泡-導(dǎo)管化生/腺泡-導(dǎo)管重編程(ADM/ADR)過程明顯增強，其機理是通過改變TGFb超家族信號傳導(dǎo)實現(xiàn)的，在形態(tài)完整的腺泡組織及ADM/ADR中，導(dǎo)管轉(zhuǎn)錄因子SOX9基因表達(dá)顯著上調(diào)，SOX9是ADM和ADR的驅(qū)動力，并與腺泡結(jié)構(gòu)中的導(dǎo)管編程的癌癥經(jīng)歷上皮-間質(zhì)轉(zhuǎn)化(epithelial-to-mesenchymal transition，EMT)高度相關(guān)，EMT是胚胎發(fā)育過程中高度豐富的過程，并對腫瘤的微環(huán)境存在著深刻影響，與支持腫瘤生長的生長因子的分泌和積累相關(guān)；在ATM耗盡的胰腺癌前期病變中，存在著高水平表達(dá)的鋅指蛋白類轉(zhuǎn)錄因子(ZEB1)和其他的EMT標(biāo)識物，表明管道編程與正在進(jìn)行的EMT存在顯著相關(guān)性。而ZEB1是EMT的始動因子，是惡性腫瘤轉(zhuǎn)移和多能干性的標(biāo)識物，被認(rèn)為是PDAC中死亡率的獨立預(yù)測因子[19]。在SOX9-EMT路徑中，SOX9基因表達(dá)上調(diào)是關(guān)鍵一環(huán)，而SOX9基因在多種癌癥類型和正常上皮細(xì)胞中是通過獨立于p53、ATM、ATR和DNA-PK的途徑主動降解的[20]，在ATM基因缺失的胰腺癌組織中觀察到的SOX9基因上調(diào)可能存在另外的途徑。

2.2 ATM-P53-Mdm2-P21WAF/CIPI通路 于觀貞等[15]應(yīng)用組織芯片和免疫組化法研究ATM及相關(guān)通路基因P53、Mdm2和 P21WAF/CIPI等在167例胰腺外分泌性惡性腫瘤和101份癌旁組織以及11例胰腺良性病變中的表達(dá)情況，發(fā)現(xiàn)與非癌組織相比，癌組織中P53和Mdm2表達(dá)明顯升高，而ATM和P21WAF/CIPI的表達(dá)明顯降低，認(rèn)為P53和Mdm2的過表達(dá)以及ATM和P21的沉默表達(dá)可能會導(dǎo)致胰腺癌的形成和進(jìn)展；4種蛋白可能以ATM-P53-Mdm2-P21WAF/CIPI通路的方式促進(jìn)細(xì)胞的轉(zhuǎn)化和腫瘤的形成；聯(lián)合檢測ATM下游基因如P53和Mdm2的表達(dá)或可用于評定胰腺癌的惡性程度。同時在Kim等[21]的研究中亦檢測到胰腺導(dǎo)管腺癌中ATM和P53的表達(dá)異常，與無胰腺癌家族史患者相比，有胰腺癌家族史的患者ATM缺失率明顯升高；胰腺癌患者ATM蛋白表達(dá)缺失，但P53仍正常表達(dá)者，在胰腺切除術(shù)后總生存期較差，是降低總生存的獨立預(yù)測因素。眾所周知，ATM-P53通路是重要的促DNA損傷修復(fù)路徑，能促進(jìn)細(xì)胞的修復(fù)及誘導(dǎo)凋亡，與上述結(jié)論相矛盾。ATM-P53-Mdm2-P21WAF/CIPI通路在PDAC組織中存在表達(dá)異常，并與較差的預(yù)后相關(guān)，是否因ATM基因缺失導(dǎo)致，以及在正常胰腺細(xì)胞向腫瘤細(xì)胞轉(zhuǎn)化過程中，該通路作為始動因素的證據(jù)并不充分。

3 ATM與胰腺癌放射抗性

放射治療是目前對中晚期胰腺癌的主要治療方法之一，輻射抗性是影響放療效果的重要因素。在電離輻射造成組織細(xì)胞DNA損傷時，ATM激酶依賴性G2/M檢測站被激活，從而介導(dǎo)輻射抗性，通過抑制DNA修復(fù)途徑可使癌細(xì)胞對輻射的影響更加敏感，而ATM/Chk2和ATR/Chk1途徑是細(xì)胞周期阻滯的主要調(diào)節(jié)劑，通過選擇性抑制ATM基因可使DNA雙鏈斷裂修復(fù)過程發(fā)生障礙，從而表現(xiàn)出對輻射的高度敏感[22-23]。但ATM介導(dǎo)的輻射抗性分子機制尚缺乏統(tǒng)一機制，而在胰腺癌的放療抗性機制與其他的惡性腫瘤是否一致亦無明確答案。有研究者已經(jīng)證實ATM/Chk1基因在姜黃素介導(dǎo)的胰腺癌細(xì)胞G2/M周期停滯和凋亡中起到關(guān)鍵作用，以siRNA轉(zhuǎn)染方式沉默ATM基因表達(dá)后，胰腺癌細(xì)胞G2/M周期阻滯率顯著下降[24]。Wang等[25]研究發(fā)現(xiàn)，ATM信號傳導(dǎo)通路中的下游信號分子共濟失調(diào)毛細(xì)血管擴張癥組相關(guān)基因(ataxia telangiectasia group D complementing gene，ATDC)為電離輻射耐受性的決定性因素，其活化需要MK2激酶催化Ser-550位點的磷酸化，從而導(dǎo)致ATDC與Dvl2的解離[24]。ATDC執(zhí)行兩個重要但獨立的功能，它通過β-連環(huán)蛋白(β-catenin)信號促進(jìn)增殖并通過ATM/MK2信號通路促進(jìn)放射抵抗性。那么在沉默ATM基因后，ATM/MK2信號通路受阻，ATDC基因無法解離，胰腺癌細(xì)胞的放射敏感性必將增加。Hennig等[26]在研究APPL蛋白介導(dǎo)的放射抗性的作用機理時發(fā)現(xiàn)，APPL蛋白和ATM激酶在胰腺癌細(xì)胞受輻射后，將第一時間被激活，成為DNA修復(fù)重要調(diào)節(jié)劑；輻射后被激活的APPL1和ATM之間存在交互作用，APPL蛋白可通過調(diào)節(jié)ATM表達(dá)從而調(diào)節(jié)胰腺癌細(xì)胞的DNA修復(fù)和放射生存，在APPL敲除介導(dǎo)的放射增敏試驗中，觀察到在輻射后ATM磷酸化顯著減少，提示ATM是APPL介導(dǎo)的對放射敏感性和DNA修復(fù)影響的中心調(diào)節(jié)劑，ATM是APPL介導(dǎo)的放射抗性必不可少的環(huán)節(jié)，APPL蛋白的額外耗盡與單獨ATM敲除具有同樣的放療增敏效果，表明ATM和APPL蛋白可能是相同信號傳導(dǎo)軸的一部分。另有研究者發(fā)現(xiàn)Pim-3家族在胰腺癌細(xì)胞的放射抗性中起著重要作用，輻射誘導(dǎo)可誘導(dǎo)Pim-3過表達(dá)，進(jìn)而增強PDAC放射抗性；其機理是阻止γ-H2AX焦點的形成，并增加ATM基因磷酸化表達(dá)，進(jìn)而激活Chk1和p53；Pim-3與ATM之間存在相互作用并增加ATM的磷酸化，敲除胰腺癌細(xì)胞中ATM可逆轉(zhuǎn)Pim-3對輻射的保護(hù)作用[27]。趙晶等[28]研究吉西他濱用于體外對胰腺癌細(xì)胞的放療增敏作用時亦發(fā)現(xiàn)，與空白對照組、單純照射組、吉西他濱組比較，聯(lián)合吉西他濱及放療組ATM蛋白的表達(dá)明顯降低(21.8%)，而胰腺癌細(xì)胞的克隆形成能力，即增殖能力顯著降低，表明ATM基因是放療增敏的潛在靶點，但并未從分子生物學(xué)層面來闡明其作用機理。

特異性抑制腫瘤細(xì)胞ATM基因表達(dá)是胰腺癌放療增敏的先決條件。目前ATM的抑制劑正在積極開發(fā)用于治療各種癌癥，如咖啡因、甲基黃嘌呤生物堿、KU-55933及其類似物、AZD0156等[29，23]，這些藥物在體外或動物試驗中確能起到較好的抑制ATM基因作用，但均存在一些問題亟待解決，臨床應(yīng)用受到一定限制。

4 結(jié)語及展望

綜上所述，ATM基因的沉默是PDAC發(fā)病的高危因素，并與較差的腫瘤分化程度、浸潤、生存期相關(guān)，其主要機理是圍繞DNA損傷反應(yīng)發(fā)生的，涉及多條信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路。在胰腺癌的治療中，ATM基因有望成為胰腺癌治療的靶基因，通過抑制ATM基因能增加腫瘤細(xì)胞對放療的敏感性，從而提高中晚期胰腺癌的治療效果，改善患者預(yù)后，其機理亦與ATM基因介導(dǎo)的DDR的修復(fù)相關(guān)。然而惡性腫瘤的發(fā)生、發(fā)展是一個多基因、多通路的過程，進(jìn)一步研究胰腺癌中ATM通路中上下游基因的變化與功能，以及其他通路的變化情況，尤其是作為始動因素方面的研究，可能會更好地闡明PDAC的發(fā)病機理和解釋其惡性行為。雖然多項研究均表明ATM基因與胰腺導(dǎo)管腺癌的密切關(guān)系，但其分子生物學(xué)層面的機理并不明確，現(xiàn)在研究多局限于動物實驗。而通過抑制ATM基因來提高胰腺癌放療的療效亦局限于動物實驗及體外實驗，尚無理想的ATM抑制劑進(jìn)入臨床試驗。另一方面，在放療增敏時，胰腺癌組織ATM基因抑制后，勢必影響正常胰腺組織的ATM基因表達(dá)而對放射線的敏感性增加，如何在對腫瘤組織增敏的同時保護(hù)正常組織亦是需要研究的課題。

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