共济失调毛细血管扩张突变基因与恶性肿瘤关系研究进展

崔美玲，布日古德，马金柱

(内蒙古医科大学附属医院甲状腺乳腺外科，呼和浩特010050)

近年来恶性肿瘤的发病率和死亡率逐年升高，已严重威胁人类的健康。目前恶性肿瘤主要采用手术、放疗、化疗及免疫等治疗手段，但因恶性肿瘤的发生、发展是一个错综复杂的过程，由于部分恶性肿瘤患者存在原发性或获得性耐药和放疗抵抗，传统方法的治疗效果往往不佳，其主要原因之一是癌细胞中DNA 修复能力增强［1］。因此，阐明化疗、放疗抵抗机制并寻找新的有效增敏剂十分迫切。在真核生物体内，细胞连续受到电离辐射、化疗药物以及氧化应激等多种内源性或外源性因素的损伤时出现DNA 单链断裂(single-strand breaks，SSBs)或DNA双链断裂(double-strand breaks，DSBs)［2］。机体细胞为维持基因组的稳定性而激活DNA 损伤修复应答(DNA damage response，DDR)用于识别和修复DNA 损伤。DSBs 是一种严重的损伤，无法修复或修复不当会导致细胞凋亡或基因组重排，最终有极大可能导致恶性肿瘤形成［3］。共济失调毛细血管扩张突变(ataxia telangiectasia mutated，ATM)基因是DSBs 反应的主要换能器，能识别DNA 损伤位点，启动DDR 及招募下游修复蛋白，修复损伤的DNA［4］。已有研究证实，ATM 会导致共济失调毛细血管扩张症(ataxia-telangiectasia，A-T)，这是一种神经退行性疾病，主要特征是对电离辐射高度敏感和恶性肿瘤易感性，其可能的原因是ATM 缺乏导致了受损的DNA 修复不准确和基因组不稳定［5］。

随着分子生物学技术的成熟，学者们对相关基因的表达水平与肿瘤关联性的研究不断深入，抗肿瘤研究已逐渐从传统治疗观念转向靶向治疗［6］。ATM 维护基因组稳定性的关键地位和A-T 患者症状的多样性引起了众多学者的关注，并试图找到有力证据证明ATM 对于诸多恶性肿瘤的作用，并实现可靠的风险预测和靶向治疗。现对ATM 与部分恶性肿瘤相关性的研究进展予以综述。

1 ATM 基因概述

ATM 是A-T 的致病基因，定位于人类染色体11q22 ～23，含66 个外显子，编码3 056 个氨基酸，产物为分子量370 000 的大分子蛋白［7］。

ATM 与DNA 依赖蛋白激酶、ATM 与Rad3 相关蛋白激酶同属于磷脂酰肌醇-3-激酶相关激酶家族［4］，广泛存在于机体的组织细胞中。ATM 是一种顶端激酶，负责全面调控细胞对DSBs 的反应，包括DNA 修复，检查点激活，细胞凋亡、衰老，染色质结构、转录和前信使RNA 剪接改变［8］。通常情况下，ATM 以无活性的二聚体或多聚体形式存在［9］。

ATM 主要通过两种途径激活。一种是DSBs发生后，减数分裂重组蛋白11(meiotic recombination 11，Mre11)/Rad50/Nijmegen 断裂综合征1(Nijmegen breakage syndrome 1，Nbs1)复合物通过与Nbs1 和Mre11/Rad50 相互作用，将ATM 募集到双链断裂位点处［10］，通过ser-1981 等位点的自磷酸化和Lys3016 处的乙酰化激活无活性的ATM 并解聚为活性单体形式［11］，启动一系列ATM 依赖的级联反应［9］。作为DDR 的关键应答元件，ATM 的底物多为细胞修复蛋白，活化的ATM 单体结合底物并将其磷酸化从而使细胞周期停滞［6］，如活化后的ATM 在Thr68 处磷酸化检查点激酶2(checkpoint kinase 2，CHK2)，后者进一步磷酸化使细胞分裂周期蛋白25A失活，进而持久抑制磷酸化的周期蛋白依赖性激酶2(cyclin dependent kinase 2，CDK2)，导致无法形成CDK-cycline 复合物，阻滞细胞G1/S 期［11-12］。ATM还可通过CHK2 间接磷酸化p53 并控制其稳定性［8］，活化后的p53 诱导p21(CDK 抑制剂)过表达，进而抑制CDK2，从而产生周期阻滞［13］。类似的基因还有乳腺癌相关蛋白1、p53 结合蛋白1 等。ATM参与DNA 双链修复信号通路，如ATM 将组蛋白变异体和DNA 损伤检查点蛋白1 的介质磷酸化并募集至DNA 损伤位点进行DNA 修复［14］。此外，C-ab1-Rad51/Rad52 通路也是ATM 依赖的DNA 修复通路［15］。经ATM 磷酸化的p53 可诱导细胞凋亡，这一过程是利用其下游的效应因子Bcl-2 实现的［16］。ATM 还通过胱天蛋白酶3 调节细胞的凋亡过程［17］。

第二种，无活性的ATM 可通过氧化应激(如活性氧)激活，称为氧化型ATM，此途径是独立于Mre11/Rad50/Nbs1/DSB 而存在的［18］。在该途径中，多个二硫键在ATM 二聚体内形成，从而诱导形成活性构象，通过多种途径调控氧化应激、维持蛋白质稳态［10］。如ATM 与胞外信号调节激酶1/2 共同激活c-Jun 氨基端激酶(c-Jun N-terminal kinases，JNK)，后者磷酸化Ser63 和Ser73 残基，从而调节细胞内氧化还原稳态［19］。ATM 抑制胞外信号调节激酶1/2-p16 通路，导致星形胶质细胞正常生长、增殖和成熟，以支持氧化应激下的神经元［20］。在应激条件下，ATM 还通过改变碳代谢途径通过促进热激蛋白27 的磷酸化，以将糖酵解产生的代谢通量重新转移到戊糖磷酸途径，该途径所产生的烟酰胺腺嘌呤二核苷酸有助于增强的细胞抗氧化反应和核苷酸合成，从而在应激条件下修复DNA［21］。氧化型ATM 通过激活肝激酶B1/促分裂原活化的蛋白激酶通路抑制哺乳动物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin，mTOR)，进而抑制线粒体的活性和活性氧族的水平，从而保护细胞免受氧化应激［22］。近年来研究发现，不但体细胞的重编程过程受ATM 及其下游p53 和组蛋白变异体等蛋白的调控，重编程后多能干细胞染色质的完整性也受其调控［7］。综上，ATM 是机体重要的促修复基因，其能维护整个基因组的稳定性，而基因组不稳定是恶性表型的标志，也是肿瘤发生的驱动力。ATM 依赖的众多底物如p53、乳腺癌相关蛋白1、CHK2 等均是肿瘤抑制因子。

2 ATM 基因与恶性肿瘤

下一代测序工作表明，ATM 是散发性恶性肿瘤中最常见的异常基因之一，COSMIC 数据库列出了ATM 中167 种不同的体细胞突变(不包括未知来源的变异)，这些突变存在于大部分肿瘤中［11］。研究发现，乳腺癌、胃癌、膀胱癌、胰腺癌、肺癌以及卵巢癌等的肿瘤细胞中均存在ATM 突变［8］，且通常与预后不良相关，其失活显著提高了患者对辐射的敏感性，增加基因组的不稳定性，加速细胞凋亡［15］。此类突变也可导致化疗耐药和预后不良，但也可能被新兴靶向疗法所利用。放化疗是治疗恶性肿瘤的重要手段，其目的是消除肿瘤细胞，ATM 可感知辐射诱导的DSBs，因此抑制ATM 的表达可适当提高细胞对放射线的敏感性，最终达到放疗增敏的目的［11］。

2.1 乳腺癌 Swift 等［23］首先提出，ATM 杂合子可导致患乳腺癌的风险增高。此后，ATM 与乳腺癌的相关性成为国内外学者研究的一大热点。近年来，对A-T 流行病学的调查证实，女性A-T 杂合子使乳腺癌的发病率相对升高。Guo 等［24］对乳腺癌组织进行免疫组织化学分析发现，在雌激素受体阴性的乳腺癌组织中ATM 的表达异常上调，放疗后局部复发率与ATM 的表达水平呈正相关;在细胞水平上，雌激素受体α 激活微RNA-18a 和微RNA-106a 以负调节ATM 的表达。Mangone 等［25］调查了巴西人群散发性乳腺癌和对照组中ATM 的突变频率和频谱发现，携带低外显率ATM 等位基因的ATM 杂合子有患乳腺癌的风险，这些杂合子对电离辐射的敏感性也有所增加，并发现了几种ATM 变异体，这些变异体大多发生了错义突变。Sun 等［26］认为，晚期乳腺癌的转移与ATM 过度活化有关，ATM 介导的锌指蛋白磷酸化激活促进了肿瘤的侵袭和转移。郎磊等［27］采用短发夹RNA 重组慢病毒感染的方法构建了ATM 基因沉默的人三阴性乳腺癌MDA-MB-231细胞株发现，沉默ATM 后肿瘤细胞的迁移和侵袭能力受到抑制，且效果明显。这可能是因为低氧条件下活化的ATM 可以磷酸化皮层肌动蛋白以实现对Arp2/3 复合体介导的肌动蛋白聚合过程的调控，最终导致乳腺癌细胞迁移和侵袭能力增强。Rondeau等［28］用实时荧光定量逆转录聚合酶链反应方法测试正常乳腺组织的RNA 和单侧侵袭性原发性乳腺癌的RNA，也得出上述结论，同时认为ATM 信使RNA 状态和ATM 蛋白水平均是独立影响乳腺癌预后的因素，更高频率的ATM 信使RNA 失调出现在年轻乳腺癌患者中，低水平ATM 信使RNA 患者无转移生存期较短。不同基因型对乳腺癌的影响亦有差异。研究发现，具有ATM rs664677 TC 或CC 基因型的个体患乳腺癌的风险显著增加［29］。有学者将ATM 变异分析扩展到超过26 000 例乳腺癌病例，结果发现，5 种ATM 杂合性(S49C、S707P、F858L、P1054R、L1420F)与乳腺癌患病风险增加相关(OR =1.05)［30］。Suh 等［31］发现，407 例乳腺肿瘤中有126 例(31%)存在ATM 蛋白表达缺失，在较大的肿瘤中ATM 丢失的发生率更高，且具有较高的核和组织学分级，存在淋巴结转移，且雌激素受体和(或)孕激素受体阴性，ATM 的丢失与无病生存率有关，但可被蒽环类药物纠正。乳腺癌的远处转移及化疗抵抗是导致临床预后不佳的主要原因，抑制ATM 可有效增强乳腺癌的化疗敏感性［32］。

2.2 胰腺肿瘤 在部分家族性和8%的散发性遗传性胰腺导管腺癌(pancreatic ductal adenocarcinoma，PDAC)中发现了有害的ATM 突变，ATM 被确定为PDAC 新型易感基因［33］。Kim 等［34］在12%(67/555)的原发性PDAC 中观察到ATM 蛋白的丧失，与无胰腺癌家族史患者相比，ATM 蛋白的丧失在有胰腺癌家族史患者中更常见，在p53 蛋白正常肿瘤患者中，丢失ATM 患者总体存活率显著降低。Kamphues 等［35］对133 例PDAC 患者的ATM 表达水平和核磷酸受体Ser1981-ATM 的水平进行评估发现，Ser1981-ATM 完全丧失患者预后最差，认为ATM 的表达和激活是判断PDAC 预后的标志物［36］。中晚期胰腺癌的预后较差，主要依靠放疗联合靶向治疗改善预后，使用ATM靶向短发夹RNA 在胰腺癌细胞系中敲除ATM 发现，胰腺癌细胞ATM 的缺失并未显著改变癌细胞对几种化疗药物的敏感性，但却使胰腺癌细胞对辐射更加敏感，胰腺癌ATM 状态可能有助于预测肿瘤对放疗的反应［37］。

2.3 肺癌 ATM 单核苷酸多态性增加了肺癌的发病率［5］。同时，ATM 及其编码的蛋白可预测肺癌对放化疗的反应以及预后，提示ATM 基因可作为肺癌诊断和治疗的新的潜在靶点［38］。彭华等［39］发现，ATMrs227060 单核苷酸多态位点与肺癌的易感性可能存在相关性。也有学者对ATM rs189307 基因型与肺癌易感性进行了回顾性研究发现，ATM rs189307 AA 基因型是亚洲非吸烟人群肺癌易感性增加的危险因素，与先前的研究一致［40］。Yan 等［41］发现，ATM rs189037、rs664677 和rs664143 基因多态性是肺癌的危险因素，而ATM rs189037 变异与放射性肺炎风险显著相关。治疗肺癌的主要化疗药物是铂类，而顺铂耐药是非小细胞肺癌治疗的一大障碍，在顺铂耐药细胞中检测到磷酸化ATM 增加，使用ATM 特异性抑制剂抑制ATM 的表达或活动状态后，顺铂的细胞毒性显著增强，且顺铂耐药癌细胞凋亡增加［42］。Villaruz 等［43］对ATM 抗体细胞系进行了临床前研究发现，41%(47/61)的肺腺癌为ATM 阴性，提示ATM 可能是ATM 与Rad3 相关蛋白激酶抑制剂与标准治疗顺铂协同作用的预测标志物，这一发现改善了每年10 万例无ATM 肺腺癌患者的临床结果。在非小细胞肺癌的治疗中，放疗具有不可或缺的地位，但往往癌细胞对放射线存在抵抗性。Weber 等［44］的研究证实，ATM 缺失的癌细胞对电离辐射的敏感性增高，同时发现两个含有ATM 错义突变(H1395 和H23)的非小细胞肺癌细胞系中ATM 蛋白的水平显著降低、ATM信号转导损害以及显著的放射敏感性。

2.4 其他肿瘤 ATM 突变或缺失存在于许多肿瘤类型中。在63.9%(205/321)的胃癌患者中可观察到ATM 低表达，并且与年龄较大、分期较晚、无病存活率以及总体存活率相关［31］。表皮生长因子受体靶向治疗是RAS 野生型转移性结直肠癌的重要治疗方法，但大部分患者表现为表皮生长因子受体治疗抗性，ATM 可作为表皮生长因子受体靶向治疗的支持性预测标志物［45］。ETP46464 作为ATM 信号通路抑制剂，可阻止脑胶质瘤细胞化疗导致的DSB修复，在替莫唑胺的治疗中起化疗增敏的作用，以提高脑胶质瘤化疗的有效率［46］。

3 结 语

ATM 突变或丢失与恶性肿瘤关系密切，影响肿瘤的分化程度，并与生存期相关。靶向治疗是近年来研究比较热门的癌症治疗方法，其成功取决于蛋白质靶标的选择。ATM 是潜在治疗靶点，其给多药耐药性癌症的治疗带来希望，同时抑制ATM 能增加肿瘤细胞对放疗的敏感性，从而提高恶性肿瘤的治疗效果，改善生存率。但恶性肿瘤的发生、发展是一个复杂、受多因素影响的过程，即使ATM 基因已是全球学者公认的增加癌症易感性的基因，但其作用机制仍不完全明确，且很多研究局限于动物模型，如何能将ATM 蛋白安全、有效地应用到恶性肿瘤的评估和治疗中还待进一步的研究，以便更好地指导癌症治疗。