ATM單核苷酸多態(tài)性與放射性肺損傷的研究現(xiàn)狀

張 悅，李 華

放射治療是腫瘤傳統(tǒng)的三大醫(yī)療手段之一。隨著胸部腫瘤發(fā)病率逐年上升，患者人數(shù)日益增多，胸部放療患者也逐年增加。然而，肺是輻射敏感器官，即使使用先進的放療技術，如三維適形和調(diào)強放療，在多射野照射模式下正常肺組織仍不可避免受到低劑量輻照而損傷，導致放射性肺炎（radiation-induced pneumonitis,RIP）和放射性肺纖維化的發(fā)生，肺功能惡化、呼吸功能衰竭甚至死亡[1]。常見的肺癌放療模式中，三維適形放療的RIP發(fā)生率大概在30%-35%，調(diào)強放療（intensity modulated radiotherapy, IMRT）大概有29%-32%[2]，基于容積調(diào)強放療(volumetric modulated arc therapy,VMAT)大概為24%-29%[3-4]。RIP是一種與放療相關的亞急性毒副作用，并且有高風險向放射性肺纖維化(ra?diation pulmonary fibrosis,RPF)轉(zhuǎn)變[5,6]。

1 放射性肺損傷及其發(fā)病機制

目前臨床放療多采用高能X射線，可直接斷裂細胞核內(nèi)雙鏈DNA，引發(fā)細胞死亡；同時可刺激細胞胞漿線粒體產(chǎn)生內(nèi)源性游離活性氧(reactive oxygen spe?cies,ROS)，并在數(shù)小時內(nèi)持續(xù)增加，導致線粒體功能障礙，受損線粒體的殘留物在細胞內(nèi)產(chǎn)生更多的ROS[7]。肺內(nèi)正常組織受輻射引發(fā)的DNA直接損傷或者ROS 間接介導的肺泡損傷，主要是I 型和II 型肺泡上皮細胞以及內(nèi)皮細胞受損。這些肺組織細胞受損后分泌促炎因子、趨化因子，損傷相關分子模式（dam?age-associated molecular patterns, DAMPs）分子，募集淋巴細胞等免疫細胞到輻射損傷部位進行修復。因此，RIP的發(fā)生與放射線所致DNA雙鏈斷裂損傷密切相關。ATM(ataxia telangiectasia mutated,ATM)是DNA雙鏈斷裂(DNA double-strand breaks, DSBs)修復通路中重要的DNA 修復酶，通過調(diào)控ATM 蛋白磷酸化下游靶蛋白參與DNA雙鏈斷裂修復通路而發(fā)揮作用。

2 ATM蛋白在放射性損傷過程中的作用

研究表明，DNA修復基因的遺傳變異可調(diào)節(jié)患者對放療的敏感性，個體DNA修復能力的差異使患者對輻射誘導的放射性損傷有不同的反應。人群中存在ATM基因遺傳多態(tài)性現(xiàn)象。ATM不同單倍型攜帶者，其ATM蛋白的表達水平不同。ATM蛋白是分子量為350-kDa蛋白激酶，參與DNA雙鏈斷裂損傷修復的，存在于胞核中。人類成纖維細胞、人淋巴母細胞和外周血淋巴細胞胞核中含量較多。ATM主要有以下五個自身磷酸化位點：Ser367、Ser1893、Ser1981、Ser2996 和Thr1885，通過磷酸化調(diào)控雙鏈DNA修復，特別是同源重組(homologous recombination,HR)修復信號通路。在正常未受照情況下，ATM蛋白以二聚體或者更高級的多聚體形式保持失活狀態(tài)，其激酶域束縛在Ser1981包繞的一個區(qū)域內(nèi)。受到電離輻射刺激后，MRN(MRE11-RAD50-NBS1) 、RPA(replication protein A)、9-1-1(RAD9-RAD1-HUS1)等感應蛋白復合物首先感受到DNA 雙鏈斷裂，染色質(zhì)結(jié)構改變，隨后被招募到受損位點附近并激活上游蛋白激酶ATM，誘導ATM二聚體在Ser1981位點發(fā)生分子間的自磷酸化和惰性二聚體的分離，活性的ATM單體自由移動并磷酸化NBS1和P53 等相應底物在DSBs 損傷點附近聚集，參與修復；并使DNA損傷的信號蔓延，引起放大效應[8-9]。同時，下游靶蛋白包括腫瘤抑制蛋白p53和BRCA1、檢查點激酶CHK1∕CHK2、檢查點蛋白RAD17和RAD9以及DNA修復蛋白NBS1被激活[10]，然后數(shù)百個底物被磷酸化并在DSBs損傷點聚集，使細胞周期停滯，執(zhí)行修復功能[11]。根據(jù)修復的結(jié)果，在最終效應蛋白的作用下，細胞繼續(xù)增殖，衰老或者凋亡。TaKao等[12]同樣發(fā)現(xiàn)ATM蛋白對于HR修復是必需的。

3 ATM基因多態(tài)性與放射性肺損傷的關聯(lián)

為了證實放射性肺炎易感基因的存在，許多放射性肺炎關聯(lián)研究通常會選擇與DNA 修復功能相關的基因作為候選基因，由于ATM 蛋白在DSBs 修復通路中“傳感器”的作用，而使ATM基因被廣泛研究。ATM基因位于人類染色體11q22-23上，包含66個外顯子，跨越約150kb 的基因組DNA。前2 個外顯子，1a 和1b，在選擇性轉(zhuǎn)錄子中發(fā)揮作用不同，起始密碼子位于第4外顯子，最后的3.8 kb外顯子有大約3.6 kb的3′未翻譯序列。轉(zhuǎn)錄生成的hnRNA 約12kb，經(jīng)修飾后形成大小為9.125kb的mRNA。Zhang L等[13]發(fā)現(xiàn)中國人群ATM 基因的rs189037 和rs373759 這兩個位點的A 等位基因可能與RP 風險增加有關。攜帶AA 基因型的患者發(fā)生放射性肺炎的風險較AG∕GG 基因型患者明顯增高。此外，肺癌患者等位基因G突變?yōu)锳后ATM 的表達水平降低。換言之，攜帶GG 基因型的患者RNA表達明顯高于AA和GA基因型患者。該研究表明位于rs189037 啟動子區(qū)域的單核苷酸多態(tài)性的特異效應機制可能是通過改變轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)合位點來調(diào)節(jié)基因表達的。在該位點周圍有一個AP-2α 結(jié)合位點，這是一個廣泛參與機體生理和病理過程的轉(zhuǎn)錄因子，如細胞粘附、組織分化、腫瘤發(fā)生和疾病遺傳等。AP-2α 通過特異性結(jié)合SNP 位點來抑制人類ATM 的表達，攜帶CC 基因型的患者與AP-2α 親和力強，而TT基因型患者與AP-2α親和力較低，因此AP-2α強烈抑制CC基因型中mRNA的表達，而對TT基因型mRNA表達抑制作用較小[14]。在rs189037位點中A等位基因的DNA特異性與轉(zhuǎn)錄因子等蛋白相互作用，影響轉(zhuǎn)錄活性，從而影響基因表達。這表明ATM基因低表達可能是遺傳因素所致放射性副反應發(fā)病機制中的一個關鍵事件。Yang M 等[15]也發(fā)現(xiàn)低水平的ATM 表達會增加RIP 的發(fā)生風險。此外，P53 基因?qū)椪找簿哂卸鄳B(tài)性，而且作為ATM蛋白的主要下游效應物，在ATM-P53 信號通路中起作用。并且，P53 Arg72Pro 與rs189037 位點單核苷酸多態(tài)性在增加RP風險方面表現(xiàn)出加性基因聯(lián)合效應。Yan Z等[16]的薈萃分析中也得出相似的結(jié)論。進一步說明放射性肺損傷的發(fā)生與基因多態(tài)性尤其是ATM 基因多態(tài)性密切相關。

4 ATM蛋白靶向放療保護劑的研究

目前對于輕度急性放射性肺損傷可給予腎上腺皮質(zhì)激素以及對癥支持治療，肺內(nèi)炎癥可自行吸收消散。Robbins 等[17]使用腎素-血管緊張素系統(tǒng)（reninangiotensin system，RAS）藥物緩解晚期放射毒性，通過靶向作用于氧化劑、炎癥和纖維化途徑減弱輻射損傷的作用。然而，廣泛纖維化和治療反應不佳者，仍然可因呼吸衰竭和心力衰竭而死亡。由于臨床上早期放射性肺損傷患者表現(xiàn)并不一定典型，因此常常延誤最佳治療時間。迄今為止，阿米福汀是唯一獲批用于預防放射性損傷的臨床藥物，Hofer 等[18]研究表明，在正常組織中，阿米福汀可保護DNA免受電離輻射的損傷，同時干擾腫瘤細胞進行DNA雙鏈修復。因為在正常組織中，阿米福汀被堿性磷酸酶水解脫磷酸，產(chǎn)生具有清除自由基作用的代謝產(chǎn)物WR-1065和減少炎癥相關因子的表達[19]。但阿米福汀的給藥劑量及治療后的遠期療效、總生存率等尚不明確，還有待進一步研究。而ATM 蛋白介導的信號通路在修復因放射線所致DNA 損傷中發(fā)揮的作用逐漸被人們重視。Zhang Ning 等[20]克隆了編碼ATM 的全長cDNA，并通過該cDNA 轉(zhuǎn)染修正了共濟失調(diào)毛細血管擴張癥AT 細胞輻射敏感性表型的多個方面。AT 細胞中ATM cD?NA 的過表達提高了輻射暴露后的存活率，降低了輻射誘導的染色體畸變，部分糾正了細胞周期檢查點的缺陷和應激激活蛋白激酶的誘導。這一對AT細胞缺陷的修正進一步證明了ATM 蛋白效應子功能的多樣性，并提出了可能的基因治療方法。功能研究表明，ATM具有低組織和免疫細胞特異性，并且患者的ATM蛋白表達量與DNA 修復能力顯著相關。肺癌患者的DNA 修復能力低于正常人，表達的ATM 蛋白也低于正常人。因此，通過靶向ATM 磷酸化位點，尋找預測放射性肺損傷的靶點，調(diào)節(jié)ATM 蛋白的表達，提高腫瘤局控率的同時減少正常組織放射性肺損傷的發(fā)生風險，即提高治療比是目前的研究重點。根據(jù)個體放療不良反應的發(fā)生風險，決定治療模式以及放療方案，以預防放射性肺損傷的發(fā)生，提高放療患者生存質(zhì)量及遠期生存率。

5 問題與展望

放射性肺損傷是胸部腫瘤患者放療的常見并發(fā)癥。隨著人類基因組計劃的完成，在傳統(tǒng)循證醫(yī)學基礎上加上人群遺傳多態(tài)性信息所形成的精準醫(yī)療模式已逐漸在臨床治療中開展。對輻射損傷的易感性不同，放療患者人群中也存在放射性肺損傷易感人群。如何在放療計劃制定前區(qū)分這類易感人群，讓患者更好受益于臨床治療，這是臨床對未來個體化放療的迫切需求。ATM基因多態(tài)性影響DNA損傷修復信號通路，因此本綜述總結(jié)了對ATM基因多態(tài)性位點與放射性肺炎關聯(lián)研究的結(jié)果。雖然目前納入研究的樣本量較少，統(tǒng)計效力不足以推廣到臨床，但為今后中國肺癌放療人群的放射性肺損傷易感性研究奠定了基礎。相信在今后，多中心、大樣本的放射性肺損傷遺傳易感性關聯(lián)研究可以不斷完善，獲得大數(shù)據(jù)以支撐個體化放療的臨床推廣與應用。