Введение

Белок млекопитающих, обнаруженный у Homo sapiens, – белок ATM. ATM серин/треонинкиназа, или Ataxia telangiectasia mutated (символ ATM), является серин/треонин протеинкиназой, которая рекрутируется и активируется двунитевыми разрывами ДНК (канонический путь), окислительным стрессом, комплексами расщепления топоизомераз, промежуточными соединениями сплайсинга, R-петлями и, в некоторых случаях, однонитевыми разрывами ДНК. Он фосфорилирует несколько ключевых белков, инициирующих активацию контрольной точки повреждения ДНК, что приводит к остановке клеточного цикла, восстановлению ДНК или апоптозу. Некоторые из этих мишеней, включая p53, CHK2, BRCA1, NBS1 и H2AX, являются супрессорами опухолей. Ген был обнаружен Йосефом Шило в 1995 году, который назвал его продукт ATM, поскольку обнаружил, что мутации в этом гене ответственны за заболевание атаксия-телеангиэктазия. В 1998 году лаборатории Шило и Кастана независимо друг от друга показали, что ATM является протеинкиназой, активность которой повышается при повреждении ДНК. ATM рекрутируется к участкам двунитевых разрывов белками-сенсорами DSB, такими как комплекс MRN. После рекрутирования он фосфорилирует NBS1, а также другие белки, участвующие в восстановлении DSB. Эти модифицированные медиаторные белки затем усиливают сигнал повреждения ДНК и передают сигналы нижестоящим эффекторам, таким как CHK2 и p53.

Структура

Ген ATM кодирует белок массой 350 кДа, состоящий из 3056 аминокислот. ATM относится к суперсемейству киназ, связанных с фосфатидилинозитол-3-киназой (PIKK). Суперсемейство PIKK включает шесть серин/треонин-протеинкиназ, демонстрирующих сходство последовательности с фосфатидилинозитол-3-киназами (PI3K). К этому семейству протеинкиназ относятся ATR (связанные с ATM и RAD3), DNA-PKcs (каталитическая субъединица ДНК-зависимой протеинкиназы) и mTOR (мишень рапамицина у млекопитающих). Для ATM характерны пять доменов: от N-конца к C-концу – домен с повторами HEAT, домен FRAP ATM TRRAP (FAT), киназный домен (KD), регуляторный домен PIKK (PRD) и C-концевой домен FAT (FATC). Повторы HEAT непосредственно связываются с C-концом NBS1. Домен FAT взаимодействует с киназным доменом ATM, стабилизируя C-концевую область самого ATM. Домен KD обеспечивает киназную активность, в то время как PRD и домен FATC ее регулируют. Структура ATM была определена в нескольких публикациях с использованием криоэлектронной микроскопии. В неактивной форме белок образует гомодимер. В каноническом пути ATM активируется комплексом MRN и аутофосфорилированием, формируя активные мономеры, способные фосфорилировать сотни нижестоящих мишеней. В неканоническом пути, например, при стимуляции окислительным стрессом, димер может быть активирован образованием дисульфидных связей. Весь N-концевой домен вместе с доменом FAT приобретает α-спиральную структуру, что было первоначально предсказано анализом последовательности. Эта α-спиральная структура формирует третичную структуру, имеющую изогнутую трубчатую форму, присутствующую, например, в белке Huntingtin, который также содержит повторы HEAT. FATC – это C-концевой домен длиной около 30 аминокислот. Он высоко консервативен и состоит из α-спирали. [[Файл:PIKKs.jpg|right|thumb|Схематическое изображение четырех известных консервативных доменов в четырех членах семейства PIKK] Эти адапторные белки затем рекрутируют различные факторы, включая эффекторную протеинкиназу CHK2 и опухолевый супрессор p53. Ответ на повреждение ДНК, опосредованный ATM, состоит из быстрого и замедленного этапов. Эффекторная киназа CHK2 фосфорилируется и тем самым активируется ATM. Активированная CHK2 фосфорилирует фосфатазу CDC25A, которая затем подвергается деградации и больше не может дефосфорилировать CDK1/циклин B, что приводит к остановке клеточного цикла. Если разрыв двойной нити ДНК (DSB) не может быть восстановлен в ходе быстрого ответа, ATM дополнительно фосфорилирует MDM2 и p53 в Ser15. p53 также фосфорилируется эффекторной киназой CHK2. Эти события фосфорилирования приводят к стабилизации и активации p53 и последующей транскрипции многочисленных генов-мишеней, включая ингибитор CDK p21, что приводит к долгосрочной остановке клеточного цикла или даже апоптозу. [[Файл:ATM target proteins (new).png|right|thumb|Двухэтапный ответ, опосредованный ATM, на разрывы двойной нити ДНК] В быстром ответе активированный ATM фосфорилирует эффекторную киназу CHK2, которая фосфорилирует CDC25A, направляя ее на убиквитинизацию и деградацию. Следовательно, накапливается фосфорилированный CDK2/циклин, и прогрессирование клеточного цикла блокируется. В замедленном ответе ATM фосфорилирует ингибитор p53, MDM2, и сам p53, который также фосфорилируется Chk2. Полученная активация и стабилизация p53 приводит к увеличению экспрессии ингибитора Cdk p21, что дополнительно способствует поддержанию низкой активности Cdk и поддержанию долгосрочной остановки клеточного цикла. Повышенная активность ATM также наблюдается при вирусных инфекциях, где ATM активируется на ранних стадиях инфекции вирусом денге как часть индукции аутофагии и ответа на стресс ЭР.

Регулирование

Для активации ATM после DSB требуется функциональный комплекс MRN. Этот комплекс функционирует выше по течению от ATM в клетках млекопитающих и индуцирует конформационные изменения, которые способствуют увеличению аффинности ATM к его субстратам, таким как CHK2 и p53. Дальнейшая аутофосфорилирование (остатков Ser367 и Ser1893) необходима для нормальной активности киназы ATM. Активации ATM комплексом MRN предшествуют как минимум два этапа, а именно: рекрутирование ATM к концам DSB медиатором белка контрольной точки повреждения ДНК 1 (MDC1), который связывается с MRE11, и последующая стимуляция активности киназы C-концевым доменом NBS1. Три домена – FAT, PRD и FATC – участвуют в регуляции активности KD-киназного домена. Домен FAT взаимодействует с KD-доменом ATM для стабилизации C-концевой области самого ATM. Домен FATC критически важен для киназной активности и очень чувствителен к мутациям. Он опосредует белок-белковые взаимодействия, например, с гистоновой ацетилтрансферазой TIP60 (HIV 1 Tat-интерактивным белком 60 кДа), которая ацетилирует ATM в остатке Lys3016. Ацетилирование происходит в C-терминальной половине домена PRD и необходимо для активации киназы ATM и ее превращения в мономеры. В то время как делеция всего домена PRD отменяет киназную активность ATM, специфические небольшие делеции не оказывают эффекта. Гомозиготная мутация ATM вызывает заболевание атаксия-телеангиэктазия (АТ), редкое заболевание человека, характеризующееся дегенерацией мозжечка, крайней чувствительностью клеток к радиации и предрасположенностью к раку. Все пациенты с АТ имеют мутации в гене ATM. Большинство других заболеваний, сходных с АТ, связаны с дефектами в генах, кодирующих белковый комплекс MRN. Одной из особенностей белка ATM является его быстрое увеличение киназной активности сразу после образования двухцепочечного разрыва. Фенотипическое проявление АТ обусловлено широким спектром субстратов для киназы ATM, включающих репарацию ДНК, апоптоз, контрольные точки G1/S, intra S и G2/M, регуляцию генов, инициацию трансляции и поддержание теломер. Следовательно, дефект в ATM имеет серьезные последствия для восстановления определенных видов повреждений ДНК, а рак может возникнуть в результате неправильной репарации. У пациентов с АТ повышен риск развития рака молочной железы, что связано с взаимодействием ATM и фосфорилированием BRCA1 и ассоциированных с ней белков после повреждения ДНК.

Соматические мутации ATM в спорадических раковых заболеваниях

Мутации в гене ATM встречаются с относительно низкой частотой при спорадических раках. Согласно COSMIC, Catalogue Of Somatic Mutations In Cancer, частота гетерозиготных мутаций в ATM, выявляемая в распространенных онкологических заболеваниях, составляет 0,7% в 713 случаях рака яичников, 0,9% в раках центральной нервной системы, 1,9% в 1120 случаях рака молочной железы, 2,1% в 847 случаях рака почек, 4,6% в раках толстой кишки, 7,2% среди 1040 случаев рака легких и 11,1% в 1790 случаях рака гематопоэтической и лимфоидной тканей. Определенные виды лейкемий и лимфом, включая лимфому мантийных клеток, Т-острую лимфобластную лейкемию, атипичную B-клеточную хроническую лимфоцитарную лейкемию и Т-пролимфоцитарную лейкемию, также ассоциированы с дефектами ATM. Комплексный поиск литературы о дефиците ATM при раке поджелудочной железы, охвативший 5234 пациента, показал, что общая распространенность зародышевых или соматических мутаций ATM при раке поджелудочной железы составляет 6,4%. Мутации ATM могут служить предиктивными биомаркерами для оценки ответа на определенные виды терапии, поскольку доклинические исследования показали, что дефицит ATM может повышать чувствительность некоторых типов рака к ингибированию ATR.

Частые эпигенетические дефициты ATM при раковых заболеваниях

ATM является одним из генов, участвующих в репарации ДНК, который часто гиперметилируется в области промотора при различных видах рака (см. таблицу таких генов в разделе «Эпигенетика рака»). Метилирование промотора ATM приводит к снижению экспрессии белка или мРНК ATM. Было обнаружено, что более 73% опухолей мозга имеют метилирование в промоторе гена ATM, и наблюдается сильная обратная корреляция между метилированием промотора ATM и его белковой экспрессией (p < 0,001). Промотор гена ATM был гиперметилирован в 53% случаев рака молочной железы небольшого (неосязаемого) размера и в 78% случаев рака молочной железы II стадии или выше, с высокой статистически значимой корреляцией (P = 0,0006) между снижением количества мРНК ATM и аберрантным метилированием промотора гена ATM. При немелкоклеточном раке легких (НМРЛ) частота метилирования промотора ATM в парных опухолях и окружающей гистологически не измененной ткани легких составила 69% и 59% соответственно. Однако при более распространенном НМРЛ частота метилирования промотора ATM была ниже – 22%. Обнаружение метилирования промотора ATM в окружающей гистологически не затронутой ткани легких позволяет предположить, что дефицит ATM может присутствовать на ранней стадии полевого дефекта, приводящего к прогрессированию в НМРЛ. При плоскоклеточной карциноме головы и шеи метилирование промотора ATM наблюдалось в 42% опухолей. Повреждение ДНК, по-видимому, является основной причиной возникновения рака, а дефекты в репарации ДНК, вероятно, лежат в основе многих его форм. При недостаточной репарации ДНК повреждения ДНК склонны к накоплению. Такое избыточное повреждение ДНК может увеличить частоту мутаций во время репликации ДНК из-за ошибок при синтезе транслезии. Избыточное повреждение ДНК также может способствовать эпигенетическим изменениям из-за ошибок, возникающих при репарации ДНК. Эти мутации и эпигенетические изменения могут приводить к развитию рака. Частый эпигенетический дефицит ATM при ряде видов рака, вероятно, способствует их прогрессированию.

Тефу

Белок Tefu дрозофилы melanogaster является структурным и функциональным гомологом человеческого белка ATM. Tefu, подобно ATM, необходим для репарации ДНК и нормального уровня мейотической рекомбинации в яйцеклетках.