ATM蛋白激酶促細(xì)胞增殖作用研究進(jìn)展

唐石伏 吳婉君 陽(yáng)建伶 馬興璇 楊建青

ATM 蛋白激酶由共濟(jì)失調(diào)毛細(xì)血管擴(kuò)張突變基因（Ataxia-telangiectasia mutated gene，ATM）編碼。ATM 基因是細(xì)胞管家基因，定位于染色體11q22～23，全長(zhǎng)有150 Kb，cDNA 為12 Kb，含有66個(gè)外顯子，包含9 168 個(gè)核苷酸的開放閱讀框，編碼一個(gè)3 056 個(gè)氨基酸殘基的ATM 蛋白質(zhì)激酶（相對(duì)分子質(zhì)量350 kDa）［1-2］。ATM 蛋白激酶屬于絲/蘇氨酸蛋白激酶磷脂酰肌醇3 激酶樣激酶（phosphatidylinositol 3 kinase-like kinase family，PI3K）家族，通過(guò)磷酸化下游許多底物，以行使其生物功能。ATM 基因突變可致ATM 蛋白激酶活性下降和功能缺陷，從而導(dǎo)致人類罹患共濟(jì)失調(diào)-毛細(xì)血管擴(kuò)張綜合征（Ataxia-telangiectasia syndrome，ATS），并且ATM 基因不同突變類型導(dǎo)致ATS 表型不一致，差別很大［3］。ATS 是1 歲～4 歲發(fā)病的罕見(jiàn)常染色體隱性遺傳病，以小腦退化、幼年進(jìn)行性共濟(jì)失調(diào)加重、毛細(xì)血管擴(kuò)張、原發(fā)性免疫缺陷、基因組不穩(wěn)定、電離輻射敏感、腫瘤易感、過(guò)早衰老、內(nèi)分泌紊亂和生長(zhǎng)停滯為主要癥狀［4］。一直以來(lái)，ATS 的電離輻射敏感、基因組不穩(wěn)定和腫瘤易感是學(xué)界研究熱點(diǎn)?，F(xiàn)有研究已證實(shí)：ATM 基因突變導(dǎo)致ATM 蛋白激酶活性降低，使DNA 雙鏈斷裂損傷修復(fù)能力受損，能合理解釋AT 患者電離輻射敏感、腫瘤易感和基因組不穩(wěn)定等典型癥狀［5-6］。近年來(lái)，ATS 其它特異癥狀的研究日益增多，尤其是細(xì)胞增殖方面，取得了很多重要成果。本文主要綜述ATM 蛋白激酶促細(xì)胞增殖作用及其機(jī)制的研究進(jìn)展。

1 ATM蛋白激酶的非DNA 損傷修復(fù)功能

ATM 蛋白激酶的結(jié)構(gòu)域和空間構(gòu)象已經(jīng)明確。從氨基端到羧基端依次可分為HEATs（huntingtin，elongation factor 1A，protein phosphatase 2A A-subunit，TOR）重復(fù)、FAT（FRAP，ATM and TRRAP）、KD（The C-terminal PI3 kinase-like kinase domain）和FATC（FRAP，ATM and TRRAP C-terminal）等四個(gè)結(jié)構(gòu)域［5］。ATM 同源二聚體呈現(xiàn)為翅膀張開的蝴蝶構(gòu)象，激酶活性域位于蝴蝶頭部，并顯示出底物結(jié)合的位點(diǎn)，揭示了ATM 激酶活性嚴(yán)謹(jǐn)調(diào)控的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)［5］。ATM 蛋白激酶在細(xì)胞DNA 雙鏈斷裂（double-strand DNA breaks，DSB）損傷修復(fù)反應(yīng)中起核心作用［7］?；罨腁TM 蛋白激酶也能通過(guò)P53 途徑導(dǎo)致細(xì)胞凋亡或衰老［7］。如前言所述，ATM 功能缺失細(xì)胞對(duì)電離輻射和DSBs 誘導(dǎo)劑極度敏感，基因組不穩(wěn)定，對(duì)惡性轉(zhuǎn)化易感ATM 蛋白激酶DSBs 修復(fù)功能缺陷合理解釋ATS 患者基因組不穩(wěn)定、腫瘤易感、電離輻射敏感的表型。ATM 基因測(cè)序已經(jīng)廣泛用于ATS 的遺傳咨詢、優(yōu)生優(yōu)育、產(chǎn)前篩查和基因診斷［2］。ATM 激酶抑制劑也廣泛用作腫瘤放療增敏劑［2］。ATM 的DSBs 修復(fù)功能難以解釋ATS 的生長(zhǎng)停滯、早老、胰島素抵抗、共濟(jì)失調(diào)等臨床癥狀［6］。在小腦神經(jīng)元細(xì)胞中，ATM 蛋白主要分布在細(xì)胞質(zhì)，其功能完全缺失引起小腦神經(jīng)元細(xì)胞死亡，導(dǎo)致A-T 綜合征［8］。這些研究提示ATM 在細(xì)胞質(zhì)外有其它生物學(xué)功能。近年來(lái)，ATM 激酶的非DNA 雙鏈斷裂修復(fù)功能如細(xì)胞增殖調(diào)控越來(lái)越引起學(xué)界的重視，取得了較大進(jìn)展。

2 ATM 蛋白激酶調(diào)控細(xì)胞增殖功能及其氧化活化途徑

2.1 ATM 蛋白激酶調(diào)控細(xì)胞增殖

越來(lái)越多研究表明ATM 蛋白激酶對(duì)細(xì)胞增殖有重要促進(jìn)作用。生長(zhǎng)停滯是ATS 患者常見(jiàn)的臨床癥狀。ATM基因敲除小鼠來(lái)源的造血干細(xì)胞、神經(jīng)干細(xì)胞和星形膠質(zhì)細(xì)胞等各種類型細(xì)胞均有增殖缺陷。ATM 功能缺失導(dǎo)致乳腺癌相關(guān)成纖維細(xì)胞（Cancer-associated fibroblasts，CAF）增殖缺陷［9］。在乳腺癌CAF 和神經(jīng)細(xì)胞中，ATM 蛋白激酶主要分布在細(xì)胞質(zhì)中［8-9］，這提示在細(xì)胞質(zhì)中ATM 蛋白激酶有非DSB 依賴的激活途徑，可能參與調(diào)控細(xì)胞增殖。

2.2 ATM 蛋白激酶氧化活化

現(xiàn)有研究已證實(shí)，ATM 蛋白激酶是細(xì)胞的重要氧化還原感受器［10］。氧化應(yīng)激（oxidative stress，OS）能以非經(jīng)典途徑直接激活A(yù)TM 蛋白激酶。在細(xì)胞質(zhì)中，過(guò)氧化氫氧化ATM 第2 991位半胱氨酸殘基上的硫醇基團(tuán)成為次磺酸基團(tuán)，該基團(tuán)與另一ATM 蛋白單體的第2 991 位半胱氨酸殘基上的硫醇基團(tuán)共價(jià)結(jié)合并形成分子間二硫鍵，使非活性的ATM 二聚體轉(zhuǎn)變成活性的ATM二聚體［11］。ATM 氧化活化是氧化應(yīng)激特異的，不改變ATM 的分布和穩(wěn)定性［11］。氧化型的ATM 蛋白激酶調(diào)控乳腺癌CAF 細(xì)胞增殖［9］，這提示氧化型ATM 可能參與調(diào)控小鼠造血干細(xì)胞、神經(jīng)干細(xì)胞和星形膠質(zhì)細(xì)胞等各種類型細(xì)胞的增殖［12-14］。作為蛋白激酶，氧化型ATM 很可能通過(guò)磷酸化下游許多底物，調(diào)節(jié)相關(guān)信號(hào)通路活性，從而在細(xì)胞增殖中發(fā)揮關(guān)鍵作用?，F(xiàn)有研究表明，氧化型ATM 激酶至少通過(guò)維持細(xì)胞氧化還原穩(wěn)態(tài)、調(diào)控細(xì)胞代謝和調(diào)節(jié)增殖相關(guān)信號(hào)通路活性等途徑執(zhí)行細(xì)胞增殖調(diào)控功能，具體依據(jù)見(jiàn)下文。

2.3 氧化型ATM 激酶調(diào)控細(xì)胞增殖的機(jī)制

2.3.1 細(xì)胞氧化還原穩(wěn)態(tài)維持功能

氧化型ATM 蛋白激酶維持細(xì)胞氧化還原穩(wěn)態(tài)以促進(jìn)細(xì)胞增殖。ATM 功能缺陷升高細(xì)胞內(nèi)活性氧族水平，降低細(xì)胞抗氧化能力，導(dǎo)致細(xì)胞氧化應(yīng)激，激活相關(guān)信號(hào)通路從而抑制細(xì)胞增殖［11］?？寡趸瘎㎞-乙酰-L-半胱氨酸（N-Acetyl-L-cysteine，NAC）能逆轉(zhuǎn)ATM 功能缺失所致乳腺癌CAF氧化應(yīng)激和增殖缺陷［9］。ATM 激酶通過(guò)增強(qiáng)細(xì)胞抗氧化能力和降低細(xì)胞活性氧族水平以維持細(xì)胞氧化還原穩(wěn)態(tài)。ATM 激酶主要通過(guò)激活P53 和磷酸戊糖通路增強(qiáng)細(xì)胞抗氧化能力。在胰島素刺激下，氧化型ATM 激酶磷酸化P53 第15 位絲氨酸殘基，被磷酸化的P53 上調(diào)過(guò)氧化物還原酶等抗氧化蛋白表達(dá)，增強(qiáng)細(xì)胞抗氧化能力，維持糖耐受和胰島素敏感［15-16］。在氧化應(yīng)激條件下，氧化型ATM 激酶通過(guò)增強(qiáng)磷酸戊糖通路關(guān)鍵酶葡萄糖-6-磷酸脫氫酶活性，促進(jìn)NADPH 抗氧化物產(chǎn)生、體內(nèi)主要抗氧化物還原型谷胱甘肽再生和核酸合成［17］。另一方面，氧化型ATM 降低線粒體氧化磷酸化活性，減少活性氧族產(chǎn)生。在營(yíng)養(yǎng)過(guò)?；蛏L(zhǎng)因子刺激下，作為負(fù)反饋機(jī)制，被線粒體來(lái)源活性氧族激活的ATM 激酶通過(guò)LKB1/AMPK/TSC2/mTORC1 信號(hào)軸抑制線粒體活性氧族的產(chǎn)生［18］。在低氧條件下，被線粒體來(lái)源的活性氧族直接氧化激活的ATM 激酶通過(guò)HIF1/mTORC1 信號(hào)軸抑制線粒體活性，減少活性氧族產(chǎn)生［18］。在高水平氧化應(yīng)激條件下，氧化型ATM 磷酸化激活P53，引起細(xì)胞凋亡。因此，在胰島素刺激等各種生理?xiàng)l件下，氧化型ATM 激酶精細(xì)化調(diào)節(jié)細(xì)胞氧化還原穩(wěn)態(tài)的功能對(duì)細(xì)胞正常增殖有重要促進(jìn)作用。

2.3.2 代謝調(diào)控功能

毛細(xì)血管擴(kuò)張共濟(jì)失調(diào)綜合癥（Ataxia-telangiectasia Syndrome，ATS）患者易罹患2 型糖尿病和生長(zhǎng)停滯，表現(xiàn)為胰島素抵抗和高血糖［6］，這提示ATM 功能缺失、糖代謝障礙和細(xì)胞增殖有密切關(guān)系。現(xiàn)有研究表明，氧化型ATM 激酶在細(xì)胞代謝中有重要調(diào)節(jié)作用。在胰島素作用下，被氧化活化的ATM 激酶磷酸化AKT 第473 位絲氨酸殘基，完全活化PI3K/AKT 信號(hào)通路，促進(jìn)葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)子4 膜轉(zhuǎn)位，增加細(xì)胞葡萄糖攝取以利細(xì)胞增殖［19-20］。另外，ATM 激酶能激活磷酸戊糖通路關(guān)鍵酶葡萄糖-6-磷酸脫氫酶活性，增加NADPH 產(chǎn)生，有利于核酸合成和細(xì)胞增殖［17］。ATM 激酶也與蛋白、脂代謝密切相關(guān)。在胰島素刺激下，ATM激酶活性增強(qiáng)，直接磷酸化eIF-4E-bingding protein 1（4E-BP1），啟動(dòng)蛋白合成［21］。Klising-Sireul等在2006年首次報(bào)道，在離子輻射下，ATM 激酶缺陷淋巴細(xì)胞的膽固醇代謝相關(guān)基因下調(diào)，導(dǎo)致細(xì)胞膽固醇含量下降，抑制細(xì)胞增殖［22］。最近，氧化型ATM 蛋白激酶在細(xì)胞能量代謝中的重要調(diào)控作用也不斷被報(bào)道。氧化型ATM 通過(guò)磷酸化葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)子1 第490 位絲氨酸和增加丙酮酸激酶M2 型表達(dá)水平促低氧癌相關(guān)成纖維細(xì)胞糖酵解能力［23］。氧化型ATM 蛋白激酶通過(guò)增強(qiáng)磷酸果糖激酶和檸檬酸合酶活性提高三陰性乳腺癌細(xì)胞內(nèi)檸檬酸水平［24］。以上研究表明，ATM 激酶的細(xì)胞物質(zhì)代謝調(diào)控功能在細(xì)胞增殖中有重要作用，其內(nèi)在機(jī)制有待進(jìn)一步闡明。

2.3.3 增殖信號(hào)通路活性調(diào)控功能

ATM 蛋白激酶精細(xì)調(diào)節(jié)正向和負(fù)向關(guān)鍵增殖信號(hào)通路控制細(xì)胞正常增殖。2001年，Peretz 首先報(bào)道ATM 激酶調(diào)控胰島素樣生長(zhǎng)因子信號(hào)通路（insulin-like growth factor，GF）［25］。在胰島素刺激下，ATM 激酶磷酸化AKT 第473 位絲氨酸殘基，以完全激活PI3K/AKT 信號(hào)通路［19-20］。最近研究發(fā)現(xiàn)，氧化型ATM 激酶通過(guò)激活PI3K-AKT、MEK-ERK 和Wnt-β-catenin 等關(guān)鍵增殖信號(hào)通路活性在乳腺癌CAFs 細(xì)胞增殖中起關(guān)鍵作用［9］。以上研究表明ATM 激酶調(diào)控正向關(guān)鍵增殖信號(hào)通路促進(jìn)細(xì)胞增殖。另一方面，ATM 激酶調(diào)控負(fù)向關(guān)鍵增殖信號(hào)通路抑制細(xì)胞增殖，防止細(xì)胞過(guò)度增殖或適應(yīng)不利增殖環(huán)境。現(xiàn)有研究表明，ATM 激酶主要通過(guò)抑制mTOR 信號(hào)通路活性負(fù)向調(diào)控細(xì)胞增殖。在氧化應(yīng)激條件下，ATM 激酶依賴的LKB1 第366 位蘇氨酸殘基磷酸化激活A(yù)MPK（AMP-activated protein kinase）激酶，被激活的AMPK 激酶磷酸化TSC2（tuberous sclerosis complex 2）抑制mTORC1 信號(hào)通路［26］。反過(guò)來(lái)，在胰島素或生長(zhǎng)因子刺激下，活化的mTOR 通路上調(diào)線粒體活性，導(dǎo)致細(xì)胞氧化應(yīng)激和ATM 的氧化活化，以防止細(xì)胞過(guò)度增殖［27］。在低氧條件下，氧化型ATM 激酶磷酸化HIF1（hypoxiainducible factor 1）α 亞基第696 位絲氨酸殘基，以激活HIF1/14-3-3/REDD1/TSC2 信號(hào)軸，下調(diào)mTOR信號(hào)通路活性，抑制細(xì)胞增殖，適應(yīng)低氧環(huán)境［28-29］。以上研究說(shuō)明，ATM 激酶在細(xì)胞增殖調(diào)控信號(hào)通路網(wǎng)絡(luò)中處于核心位置，在細(xì)胞增殖中發(fā)揮非常重要作用，其內(nèi)在機(jī)制有待深入研究。

3 結(jié)束語(yǔ)

ATM 蛋白激酶的DSB 修復(fù)功能難以解釋ATS 患者生長(zhǎng)停滯等臨床表現(xiàn)的困惑激發(fā)了學(xué)界探索其內(nèi)在機(jī)制的強(qiáng)烈興趣。越來(lái)越多研究證實(shí)，ATM 激酶在細(xì)胞增殖中起關(guān)鍵作用。現(xiàn)有研究表明，ATM 蛋白激酶磷酸化下游底物，調(diào)控相關(guān)信號(hào)通路，維持細(xì)胞氧化還原穩(wěn)態(tài)、促進(jìn)細(xì)胞代謝和協(xié)同調(diào)節(jié)增殖相關(guān)信號(hào)通路活性以精細(xì)調(diào)控細(xì)胞正常增殖。因?yàn)锳TM 激酶氧化激活的機(jī)制到2010年才被揭示和ATM 兩種激活機(jī)制很可能同時(shí)存在，今后ATM 激酶相關(guān)研究要明確其激活機(jī)制，以往ATM 激酶相關(guān)研究要進(jìn)一步厘清其功能歸屬，以利于ATM 相關(guān)深入研究和臨床應(yīng)用。氧化活化的ATM 蛋白激酶是細(xì)胞增殖調(diào)控網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，在各種增殖信號(hào)作用下，協(xié)調(diào)細(xì)胞各方面行為，精密調(diào)控細(xì)胞增殖，以適應(yīng)增殖信號(hào)。作為蛋白激酶，氧化型ATM 很有可能調(diào)控許多未知的底物和或相關(guān)信號(hào)通路，以調(diào)控細(xì)胞增殖，但有待闡明。這不僅有利于揭示氧化型ATM 激酶調(diào)控細(xì)胞增殖的內(nèi)在機(jī)理，而且有助于尋找新的增殖性疾病如惡性腫瘤的干預(yù)策略和手段。