ATM与肿瘤的关系研究进展

刘小群 综述 乔田奎 审校

复旦大学附属金山医院肿瘤科，上海 200540

近年来，基因组遗传学和表遗传学的改变在癌变过程中所起的作用受到越来越多的重视。遗传性共济失调毛细血管扩张征(ataxiatelangiectasia，A-T)患者和A-T携带者容易罹患多种肿瘤。现已证实其肿瘤易感机制与生殖细胞的胚系突变有关，并掀开了ATM基因与肿瘤之间关系的研究序幕。本文就近期ATM基因与肿瘤的关系研究作简要综述。

1 ATM概述

A-T是一种常染色体隐性遗传性疾病，临床表现为颜面部毛细血管扩张、胸腺过早退化、免疫缺陷、生长发育迟缓、对放射线极度敏感甚至易发生恶性病变等。Savitsky等［1］在1995年通过原位克隆技术发现A-T为单基因突变所致，并把该基因命名为共济失调毛细血管扩张性突变基因(ataxia-telangiectasia mutated gene，ATM gene)。正常健康个体表现为野生型ATM基因，定位于染色体11q22-q23。基因长度为150 kb，含有66个外显子，编码一个13 kb长度的转录区，编码产物为共济失调毛细血管扩张征突变蛋白(Ataxia-Telangiectasia mutated protein，ATM protein)，为一种丝/苏氨酸蛋白激酶，含有3 056个氨基酸残基，是一种大分子量蛋白，相对分子质量约为370×103［2］。ATM蛋白属于磷脂酰肌醇3-激酶家族成员中的一员，其羧基末端(C-terminal region)约含400个氨基酸，该结构域与磷脂酰肌醇3-激酶(phosphatidylinositol 3-kinases，PI3K)的催化亚基具有高度的相似性。ATM蛋白是一种自动磷酸化蛋白，分布于细胞核和细胞质中，以细胞核为主，在高等真核生物体组织细胞内普遍存在，一些组织细胞如睾丸、脾脏、胸腺、人宫颈癌细胞(HeLa细胞)、人骨肉瘤细胞(U2OS)及成纤维细胞中呈高表达。通常情况下，ATM蛋白激酶以无活性的二聚体形式存在。一些学者认为， 细胞受到电离辐射后或在细胞周期的不同时期中，ATM蛋白水平及其在亚细胞器的分布无明显变化［3］，这一特性可能与基因组损伤后DNA修复和细胞周期调节的高保真度有关。

2 ATM的一般作用

ATM蛋白激酶在维护整个基因组的稳定性中充当重要的角色。应对DNA损伤物，ATM激酶激活不同的效应底物，发挥细胞周期调控、DNA修复和细胞凋亡等作用。

2.1 DNA修复

DNA作为细胞生命活动最重要遗传物质，其分子结构完整性和稳定性对于细胞的存活及正常的生理功能具有重要意义。生物体基因组暴露于离子射线或者受内切酶作用，以及在染色体自我复制过程中都可能出现DNA双链断裂，这些断裂如未能及时修复就会引起细胞的染色体丢失或导致细胞死亡。真核生物体主要有两种修复机制：同源重组修复(homologous recombination repair，HR)和非同源末端连接(nonhomologous end joining，NHEJ)。ATM蛋白激酶则是这些修复过程中的关键调控者，它能够识别DNA损伤，参与募集RAD50/MRE11/NBS1复合物到断裂点，并通过磷酸化下游底物分子如组蛋白H2AX、染色体结构维持蛋白-1(SMC-1)、检测点激酶1,2(checkpoints kinase 1, 2, CHK1, 2)、p53等介导多条信号通路参与DNA损伤修复。Suzuki等［4］通过应用不同作用位点的限制性核酸内切酶作用于DNA双链的研究，发现ATM依赖性的DNA损伤修复作用还与DNA双链断端的结构特异性有关。最近Cosentino等［5］发现氧自由基引起的DNA损伤也能激活ATM激酶，活化的ATM激酶作用6-磷酸葡萄糖脱氢酶而调节磷酸戊糖途径，导致核苷酸合成增加，有利于DNA双链的修复。然而，DNA损伤的最佳修复，通常要求损伤位点染色质的解凝松驰，组蛋白H2B的单泛素化——一种与正常细胞转录延长有关的修饰，涉及参与了染色质的解凝，而ATM蛋白的活化能够调节组蛋白H2B单泛素化。Moyal等［6］从分子水平证实了ATM蛋白激酶依赖性的E3泛素连接酶的磷酸化直接导致了组蛋白H2B的单泛素化。因此，ATM激酶还能通过影响损伤位点染色质的解凝而调节DNA损伤的最佳修复。

2.2 细胞周期阻滞

细胞周期(cell cycle)是保证细胞进行生命活动的基本过程，是指细胞从上一次有丝分裂结束到下一次有丝分裂完成所经历的时间，分为DNA合成前期(G1期)、DNA合成期(S)、DNA合成后期(G2期)和有丝分裂期(M期)，主要由G1/S期、S期和G2/M期3个检测点的细胞周期素(cyclin)与细胞周期蛋白依赖性激酶(cyclindependent kinases，Cdks)组成的复合物调控。其中G1/S期检测点主要由CyclinE/Cdk2复合物调节；S期检测点主要由CyclinA/Cdk2复合物调节；G2/M期检测点主要由CyclinB/Cdk1复合物调节。DNA双链断裂时，ATM蛋白能识别断裂点并迅速自动磷酸化激活，然后通过磷酸化激活其下游底物p53、Chk2及Chk1等起作用。一方面，活化的p53通过磷酸化激活细胞周期抑制因子p21、生长抑制DNA损伤诱导因子GADD45等抑制Cdks活性；另一方面，活化的Chk2、Chk1能使细胞分裂周期蛋白25(cell division cyclin 25，Cdc25)家族系列磷酸酶失活，使其丧失活化Cdks的作用。这两种途径的抑制机制与干扰Cdks的抑制性磷酸化Tyr-15位点的脱磷酸化有关，最终均使细胞不能通过检测点“关卡”而导致细胞周期的阻滞，为损伤DNA的修复争取足够的时间，防止异常基因传给子代细胞。一些与作用于DNA有关的抗肿瘤药物也能诱发肿瘤细胞周期阻滞，Gaul等［7］应用苯达莫司汀对4种类型的骨髓瘤细胞株进行处理后，经流式细胞仪对细胞周期检测和蛋白印迹实验对ATM激酶及其下游底物的检测，证实了苯达莫司汀对G2期阻滞与ATM激酶的磷酸化激活有关。虽然放射诱导的ATM依赖性细胞周期阻滞研究比较多，但是对ATM激酶一些确切作用机制阐述仍不是十分清楚。

2.3 细胞凋亡

细胞凋亡不同于坏死，是指细胞在一定的生理或病理条件下，遵循自身的程 序，由基因调控的主动性死亡过程，对细胞生长发育具有十分重要的意义。细胞凋亡是一个多基因调控的过程，分为促进凋亡的基因，如p53、FAS/Apo-1、大多数的半胱天冬酶(caspase)等；抑制凋亡的基因，如bcl-2基因家族的bcl-2、bcl-XL等。其中，DNA双链损伤诱发的细胞凋亡与ATM激酶的活化有关。Chen等［8］在体外实验中应用氮芥类药物BO-1051作用于肝上皮细胞性癌株，发现BO-1051引起的DNA双链断裂能激活ATM激酶，随后经过活化caspase信号通路导致肿瘤细胞凋亡。肿瘤坏死因子相关凋亡诱导配体(tumor necrosis factor-related apoptosisinducing ligand，TRAIL)是一种有效的肿瘤细胞凋亡诱导因子，细胞型Fas因子死亡区域相关蛋白样β白介素-转换酶抑制蛋白(cFLIP)是一种新发现的细胞凋亡抑制蛋白，能干扰TRAIL诱发的细胞凋亡，是大多数原发性肿瘤抗拒TRAIL凋亡诱导的原因之一。而5-FU、依托泊苷和多柔比星等能够诱发肿瘤细胞cFLIP的下调，现已证实这一作用与ATM激酶依赖性的信号通路活化有关［9］。因此，ATM激酶可以通过调节DNA损伤与死亡受体信号传递之间的相互作用介导肿瘤细胞凋亡。

3 ATM异常导致肿瘤易感性

绝大多数肿瘤是基因和环境因素相互作用引起的，是多因素协调作用的结果。其中，基因的改变是肿瘤的内因，是肿瘤在分子水平上最直接的病因，因此肿瘤就其本质而言是一种遗传性疾病。ATM是一种DNA损伤修复基因，其胚系突变与A-T患者对多种肿瘤的易感性有关。由于ATM基因在生殖细胞就发生了一次突变，体细胞中其等位基因受环境因素的二次打击概率就会明显增加，导致患者易患淋巴瘤、白血病及胃癌、卵巢癌等上皮性肿瘤。早在1991年，Swift等［10］即发现了A-T患者的亲属中有更多的乳腺癌患者。随后的几个研究也证实了A-T患者的杂合子女性亲属患乳腺癌的风险较正常人增加了3～7倍［11-13］。流行病学调查发现，一些肿瘤发生的风险可能还与ATM基因突变的类型和位置有关。Cavaciuti等［14］经对A-T患者家族中乳腺癌患者的调查，发现ATM蛋白某些结合域的截短突变与乳腺癌的发生率存在关联。此外，保持DNA损伤反应中信号通路的完整性也能够发挥重要的抑瘤作用。Squatrito等［15］通过对小鼠脑胶质瘤模型研究，发现ATM/Chk2/p53通路成分异常能促进肿瘤的形成和增加肿瘤对放射线的抵抗性。Kim等［16］的报道指出，ATM下游底物特异性磷酸化位点的改变也影响ATM的抑瘤作用，如活化的ATM在乳腺癌易感基因Brca1产物中有7个丝氨酸磷酸化作用位点，然而仅Ser-1152位点突变的小鼠发生乳腺癌、肝癌等肿瘤的风险增加。近年来，ATM基因多态性与肿瘤的易感性关联受到越来越多的重视，Bau等［17］在620例口腔癌患者和620例健康对照组中进行聚合酶链反应(PCR)和限制性片段长度多态性分析，发现ATM基因rs189037位点等位基因多态性与口腔癌易感性有关，可用于口腔癌的预防和早期检测。夏文进等［18］采用Taqman探针基因分型技术观察到ATM单核苷酸多态性(IVS62+60G>A)与非小细胞肺癌发生密切相关，其原因与该位点的变异可能涉及基因的剪切而导致不同剪切物形成有关。事实上与致癌作用有关的ATM基因多态性位点较多，DNA突变分析和基因组学研究认为ATM基因位点中特异性点突变、错配修复基因变异等导致的高度微卫星序列不稳定与乳腺癌的发生有关［19-22］。另外，ATM基因多态性与环境致癌因素的协同作用也很重要。一组调查研究发现，ATM基因多态性与非吸烟患者的肺癌发生率有明显的相关性［23］，可能与患者长期暴露接触低水平的环境致癌物(如二手烟雾)有关；另一组研究发现，抗氧化物(如维生素A/C或叶酸)等的摄入可以降低ATM基因多态性致乳腺癌的风险［24］。因此，这些都证实了ATM基因多态性的致癌性需要与环境致癌因素协同作用。

4 ATM在肿瘤治疗中的作用

肿瘤的治疗目前主要是遵循多学科综合治疗模式，然而肿瘤的放射抵抗和对化疗药物的耐药是导致治疗失败的主要原因，因此寻求肿瘤放、化学治疗增敏新靶点也就成为提高肿瘤治疗效果的手段之一。ATM激酶作为细胞多种信号通路的关键调控者，在肿瘤治疗过程中的作用受到越来越多的重视。Xue等［25］应用高线型能量传递(linear energy transfer，LET)的碳粒子对正常人纤维母细胞株进行照射实验，发现放射治疗中低剂量放射增敏和随后的放射耐受之间的变化分别与ATM依赖性的早期G2期检测点阻滞及DNA的有效修复有关。HMJ-30是一种新型喹唑啉类药物，能通过诱导人类骨肉瘤U-2OS细胞株凋亡而导致细胞生长抑制作用。Chiu等［26］应用HMJ-30对U-20S细胞株进行处理后，细胞出现明显凋亡和生长抑制，经蛋白印迹实验检测，发现了ATM蛋白激酶和p53蛋白均发生了磷酸化；该实验还设计了对照组，通过应用ATM蛋白抑制剂咖啡因对U20S进行预处理和小分子干扰RNA对p53基因进行敲除，结果HMJ-30对细胞生长抑制作用明显减弱。因此，在HMJ-30诱发的U2OS细胞株凋亡和生长抑制过程中，ATM依赖的p53信号通路发挥了关键作用。另一个报道指出，应用咖啡因抑制ATM的活性降低了U2OS细胞株对抗肿瘤药物多柔比星的抵抗［27］。而在喉、咽癌患者中，ATM mRNA的表达通常下调［28］，其下调是影响患者治疗和生存的独立风险因子，因此可以作为该类肿瘤可靠的预后指标。值得注意的是，ATM激酶在胞内位置的不同决定其作用不同的底物及产生不同的生物效应［29］。传统上习惯认为ATM激酶是一种核蛋白，控制着细胞周期的进程，然而A-T患者所表现的一些异常症状，如神经退行性变、胰岛素抵抗等很难仅用ATM在细胞核中的作用解释清楚，因此很可能就涉及了ATM激酶在细胞质中的特殊作用。Yang等［30］通过对ATM激酶在细胞质中作用的回顾，发现了细胞质ATM激酶在肿瘤、糖尿病等疾病治疗中具有潜在作用。许多证据表明，核转录因子NF-κB具有保护基因受损细胞的作用，而细胞质ATM激酶对核转录因子NF-κB信号通路有活化作用。Hadian等［31］研究发现，DNA双链受损后ATM激酶从胞核中移出，激活泛素连接酶使肿瘤坏死因子受体相关因子-6(tumor necrosis factor receptor-associated factor 6，TRAF6)和NF-κB的抑制剂ELKS(一种富含谷氨酸、亮氨酸、酪氨酸和丝氨酸的蛋白质)发生多聚泛素化而引起NF-κB途径的活化，导致肿瘤增殖进展及增加肿瘤细胞对放、化学治疗的抵抗性。

5 结语

综上所述，ATM蛋白表达或活性改变涉及了多种肿瘤的发生，并影响肿瘤的治疗及预后，提示ATM基因或许能成为肿瘤治疗过程中一个新的潜在作用靶点。然而，ATM激酶在不同的亚细胞器具有不同的生物学作用，进一步理解ATM蛋白作用的多层次性，可为ATM作为肿瘤治疗新靶点提供更多准确可靠的理论依据，为肿瘤治疗开辟更广阔的空间。

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