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%，調強放療（intensity modulated radiotherapy, IMRT）大概有29%-32%[2]，基于容積調強放療(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，染色質結構改變，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錄因子的結合位點來調節(jié)基因表達的。在該位點周圍有一個AP-2α 結合位點，這是一個廣泛參與機體生理和病理過程的轉錄因子，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特異性與轉錄因子等蛋白相互作用，影響轉錄活性，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 基因對輻照也具有多態(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 轉染修正了共濟失調毛細血管擴張癥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，因此本綜述總結了對ATM基因多態(tài)性位點與放射性肺炎關聯(lián)研究的結果。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。