ATM蛋白激酶促細胞增殖作用研究進展

唐石伏 吳婉君 陽建伶 馬興璇 楊建青

ATM 蛋白激酶由共濟失調毛細血管擴張突變基因（Ataxia-telangiectasia mutated gene，ATM）編碼。ATM 基因是細胞管家基因，定位于染色體11q22～23，全長有150 Kb，cDNA 為12 Kb，含有66個外顯子，包含9 168 個核苷酸的開放閱讀框，編碼一個3 056 個氨基酸殘基的ATM 蛋白質激酶（相對分子質量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，從而導致人類罹患共濟失調-毛細血管擴張綜合征（Ataxia-telangiectasia syndrome，ATS），并且ATM 基因不同突變類型導致ATS 表型不一致，差別很大［3］。ATS 是1 歲～4 歲發病的罕見常染色體隱性遺傳病，以小腦退化、幼年進行性共濟失調加重、毛細血管擴張、原發性免疫缺陷、基因組不穩定、電離輻射敏感、腫瘤易感、過早衰老、內分泌紊亂和生長停滯為主要癥狀［4］。一直以來，ATS 的電離輻射敏感、基因組不穩定和腫瘤易感是學界研究熱點?，F有研究已證實：ATM 基因突變導致ATM 蛋白激酶活性降低，使DNA 雙鏈斷裂損傷修復能力受損，能合理解釋AT 患者電離輻射敏感、腫瘤易感和基因組不穩定等典型癥狀［5-6］。近年來，ATS 其它特異癥狀的研究日益增多，尤其是細胞增殖方面，取得了很多重要成果。本文主要綜述ATM 蛋白激酶促細胞增殖作用及其機制的研究進展。

1 ATM蛋白激酶的非DNA 損傷修復功能

ATM 蛋白激酶的結構域和空間構象已經明確。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、FAT（FRAP，ATM and TRRAP）、KD（The C-terminal PI3 kinase-like kinase domain）和FATC（FRAP，ATM and TRRAP C-terminal）等四個結構域［5］。ATM 同源二聚體呈現為翅膀張開的蝴蝶構象，激酶活性域位于蝴蝶頭部，并顯示出底物結合的位點，揭示了ATM 激酶活性嚴謹調控的結構基礎［5］。ATM 蛋白激酶在細胞DNA 雙鏈斷裂（double-strand DNA breaks，DSB）損傷修復反應中起核心作用［7］。活化的ATM 蛋白激酶也能通過P53 途徑導致細胞凋亡或衰老［7］。如前言所述，ATM 功能缺失細胞對電離輻射和DSBs 誘導劑極度敏感，基因組不穩定，對惡性轉化易感ATM 蛋白激酶DSBs 修復功能缺陷合理解釋ATS 患者基因組不穩定、腫瘤易感、電離輻射敏感的表型。ATM 基因測序已經廣泛用于ATS 的遺傳咨詢、優生優育、產前篩查和基因診斷［2］。ATM 激酶抑制劑也廣泛用作腫瘤放療增敏劑［2］。ATM 的DSBs 修復功能難以解釋ATS 的生長停滯、早老、胰島素抵抗、共濟失調等臨床癥狀［6］。在小腦神經元細胞中，ATM 蛋白主要分布在細胞質，其功能完全缺失引起小腦神經元細胞死亡，導致A-T 綜合征［8］。這些研究提示ATM 在細胞質外有其它生物學功能。近年來，ATM 激酶的非DNA 雙鏈斷裂修復功能如細胞增殖調控越來越引起學界的重視，取得了較大進展。

2 ATM 蛋白激酶調控細胞增殖功能及其氧化活化途徑

2.1 ATM 蛋白激酶調控細胞增殖

越來越多研究表明ATM 蛋白激酶對細胞增殖有重要促進作用。生長停滯是ATS 患者常見的臨床癥狀。ATM基因敲除小鼠來源的造血干細胞、神經干細胞和星形膠質細胞等各種類型細胞均有增殖缺陷。ATM 功能缺失導致乳腺癌相關成纖維細胞（Cancer-associated fibroblasts，CAF）增殖缺陷［9］。在乳腺癌CAF 和神經細胞中，ATM 蛋白激酶主要分布在細胞質中［8-9］，這提示在細胞質中ATM 蛋白激酶有非DSB 依賴的激活途徑，可能參與調控細胞增殖。

2.2 ATM 蛋白激酶氧化活化

現有研究已證實，ATM 蛋白激酶是細胞的重要氧化還原感受器［10］。氧化應激（oxidative stress，OS）能以非經典途徑直接激活ATM 蛋白激酶。在細胞質中，過氧化氫氧化ATM 第2 991位半胱氨酸殘基上的硫醇基團成為次磺酸基團，該基團與另一ATM 蛋白單體的第2 991 位半胱氨酸殘基上的硫醇基團共價結合并形成分子間二硫鍵，使非活性的ATM 二聚體轉變成活性的ATM二聚體［11］。ATM 氧化活化是氧化應激特異的，不改變ATM 的分布和穩定性［11］。氧化型的ATM 蛋白激酶調控乳腺癌CAF 細胞增殖［9］，這提示氧化型ATM 可能參與調控小鼠造血干細胞、神經干細胞和星形膠質細胞等各種類型細胞的增殖［12-14］。作為蛋白激酶，氧化型ATM 很可能通過磷酸化下游許多底物，調節相關信號通路活性，從而在細胞增殖中發揮關鍵作用。現有研究表明，氧化型ATM 激酶至少通過維持細胞氧化還原穩態、調控細胞代謝和調節增殖相關信號通路活性等途徑執行細胞增殖調控功能，具體依據見下文。

2.3 氧化型ATM 激酶調控細胞增殖的機制

2.3.1 細胞氧化還原穩態維持功能

氧化型ATM 蛋白激酶維持細胞氧化還原穩態以促進細胞增殖。ATM 功能缺陷升高細胞內活性氧族水平，降低細胞抗氧化能力，導致細胞氧化應激，激活相關信號通路從而抑制細胞增殖［11］。抗氧化劑N-乙酰-L-半胱氨酸（N-Acetyl-L-cysteine，NAC）能逆轉ATM 功能缺失所致乳腺癌CAF氧化應激和增殖缺陷［9］。ATM 激酶通過增強細胞抗氧化能力和降低細胞活性氧族水平以維持細胞氧化還原穩態。ATM 激酶主要通過激活P53 和磷酸戊糖通路增強細胞抗氧化能力。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 上調過氧化物還原酶等抗氧化蛋白表達，增強細胞抗氧化能力，維持糖耐受和胰島素敏感［15-16］。在氧化應激條件下，氧化型ATM 激酶通過增強磷酸戊糖通路關鍵酶葡萄糖-6-磷酸脫氫酶活性，促進NADPH 抗氧化物產生、體內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，減少活性氧族產生。在營養過剩或生長因子刺激下，作為負反饋機制，被線粒體來源活性氧族激活的ATM 激酶通過LKB1/AMPK/TSC2/mTORC1 信號軸抑制線粒體活性氧族的產生［18］。在低氧條件下，被線粒體來源的活性氧族直接氧化激活的ATM 激酶通過HIF1/mTORC1 信號軸抑制線粒體活性，減少活性氧族產生［18］。在高水平氧化應激條件下，氧化型ATM 磷酸化激活P53，引起細胞凋亡。因此，在胰島素刺激等各種生理條件下，氧化型ATM 激酶精細化調節細胞氧化還原穩態的功能對細胞正常增殖有重要促進作用。

2.3.2 代謝調控功能

毛細血管擴張共濟失調綜合癥（Ataxia-telangiectasia Syndrome，ATS）患者易罹患2 型糖尿病和生長停滯，表現為胰島素抵抗和高血糖［6］，這提示ATM 功能缺失、糖代謝障礙和細胞增殖有密切關系?，F有研究表明，氧化型ATM 激酶在細胞代謝中有重要調節作用。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 信號通路，促進葡萄糖轉運子4 膜轉位，增加細胞葡萄糖攝取以利細胞增殖［19-20］。另外，ATM 激酶能激活磷酸戊糖通路關鍵酶葡萄糖-6-磷酸脫氫酶活性，增加NADPH 產生，有利于核酸合成和細胞增殖［17］。ATM 激酶也與蛋白、脂代謝密切相關。在胰島素刺激下，ATM激酶活性增強，直接磷酸化eIF-4E-bingding protein 1（4E-BP1），啟動蛋白合成［21］。Klising-Sireul等在2006年首次報道，在離子輻射下，ATM 激酶缺陷淋巴細胞的膽固醇代謝相關基因下調，導致細胞膽固醇含量下降，抑制細胞增殖［22］。最近，氧化型ATM 蛋白激酶在細胞能量代謝中的重要調控作用也不斷被報道。氧化型ATM 通過磷酸化葡萄糖轉運子1 第490 位絲氨酸和增加丙酮酸激酶M2 型表達水平促低氧癌相關成纖維細胞糖酵解能力［23］。氧化型ATM 蛋白激酶通過增強磷酸果糖激酶和檸檬酸合酶活性提高三陰性乳腺癌細胞內檸檬酸水平［24］。以上研究表明，ATM 激酶的細胞物質代謝調控功能在細胞增殖中有重要作用，其內在機制有待進一步闡明。

2.3.3 增殖信號通路活性調控功能

ATM 蛋白激酶精細調節正向和負向關鍵增殖信號通路控制細胞正常增殖。2001年，Peretz 首先報道ATM 激酶調控胰島素樣生長因子信號通路（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 信號通路［19-20］。最近研究發現，氧化型ATM 激酶通過激活PI3K-AKT、MEK-ERK 和Wnt-β-catenin 等關鍵增殖信號通路活性在乳腺癌CAFs 細胞增殖中起關鍵作用［9］。以上研究表明ATM 激酶調控正向關鍵增殖信號通路促進細胞增殖。另一方面，ATM 激酶調控負向關鍵增殖信號通路抑制細胞增殖，防止細胞過度增殖或適應不利增殖環境。現有研究表明，ATM 激酶主要通過抑制mTOR 信號通路活性負向調控細胞增殖。在氧化應激條件下，ATM 激酶依賴的LKB1 第366 位蘇氨酸殘基磷酸化激活AMPK（AMP-activated protein kinase）激酶，被激活的AMPK 激酶磷酸化TSC2（tuberous sclerosis complex 2）抑制mTORC1 信號通路［26］。反過來，在胰島素或生長因子刺激下，活化的mTOR 通路上調線粒體活性，導致細胞氧化應激和ATM 的氧化活化，以防止細胞過度增殖［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 信號軸，下調mTOR信號通路活性，抑制細胞增殖，適應低氧環境［28-29］。以上研究說明，ATM 激酶在細胞增殖調控信號通路網絡中處于核心位置，在細胞增殖中發揮非常重要作用，其內在機制有待深入研究。

3 結束語

ATM 蛋白激酶的DSB 修復功能難以解釋ATS 患者生長停滯等臨床表現的困惑激發了學界探索其內在機制的強烈興趣。越來越多研究證實，ATM 激酶在細胞增殖中起關鍵作用?，F有研究表明，ATM 蛋白激酶磷酸化下游底物，調控相關信號通路，維持細胞氧化還原穩態、促進細胞代謝和協同調節增殖相關信號通路活性以精細調控細胞正常增殖。因為ATM 激酶氧化激活的機制到2010年才被揭示和ATM 兩種激活機制很可能同時存在，今后ATM 激酶相關研究要明確其激活機制，以往ATM 激酶相關研究要進一步厘清其功能歸屬，以利于ATM 相關深入研究和臨床應用。氧化活化的ATM 蛋白激酶是細胞增殖調控網絡中的關鍵節點，在各種增殖信號作用下，協調細胞各方面行為，精密調控細胞增殖，以適應增殖信號。作為蛋白激酶，氧化型ATM 很有可能調控許多未知的底物和或相關信號通路，以調控細胞增殖，但有待闡明。這不僅有利于揭示氧化型ATM 激酶調控細胞增殖的內在機理，而且有助于尋找新的增殖性疾病如惡性腫瘤的干預策略和手段。