ATM蛋白激酶促细胞增殖作用研究进展

唐石伏 吴婉君 阳建伶 马兴璇 杨建青

ATM 蛋白激酶由共济失调毛细血管扩张突变基因（Ataxia-telangiectasia mutated gene，ATM）编码。ATM 基因是细胞管家基因，定位于染色体11q22～23，全长有150 Kb，cDNA 为12 Kb，含有66个外显子，包含9 168 个核苷酸的开放阅读框，编码一个3 056 个氨基酸残基的ATM 蛋白质激酶（相对分子质量350 kDa）［1-2］。ATM 蛋白激酶属于丝/苏氨酸蛋白激酶磷脂酰肌醇3 激酶样激酶（phosphatidylinositol 3 kinase-like kinase family，PI3K）家族，通过磷酸化下游许多底物，以行使其生物功能。ATM 基因突变可致ATM 蛋白激酶活性下降和功能缺陷，从而导致人类罹患共济失调-毛细血管扩张综合征（Ataxia-telangiectasia syndrome，ATS），并且ATM 基因不同突变类型导致ATS 表型不一致，差别很大［3］。ATS 是1 岁～4 岁发病的罕见常染色体隐性遗传病，以小脑退化、幼年进行性共济失调加重、毛细血管扩张、原发性免疫缺陷、基因组不稳定、电离辐射敏感、肿瘤易感、过早衰老、内分泌紊乱和生长停滞为主要症状［4］。一直以来，ATS 的电离辐射敏感、基因组不稳定和肿瘤易感是学界研究热点。现有研究已证实：ATM 基因突变导致ATM 蛋白激酶活性降低，使DNA 双链断裂损伤修复能力受损，能合理解释AT 患者电离辐射敏感、肿瘤易感和基因组不稳定等典型症状［5-6］。近年来，ATS 其它特异症状的研究日益增多，尤其是细胞增殖方面，取得了很多重要成果。本文主要综述ATM 蛋白激酶促细胞增殖作用及其机制的研究进展。

1 ATM蛋白激酶的非DNA 损伤修复功能

ATM 蛋白激酶的结构域和空间构象已经明确。从氨基端到羧基端依次可分为HEATs（huntingtin，elongation factor 1A，protein phosphatase 2A A-subunit，TOR）重复、FAT（FRAP，ATM and TRRAP）、KD（The C-terminal PI3 kinase-like kinase domain）和FATC（FRAP，ATM and TRRAP C-terminal）等四个结构域［5］。ATM 同源二聚体呈现为翅膀张开的蝴蝶构象，激酶活性域位于蝴蝶头部，并显示出底物结合的位点，揭示了ATM 激酶活性严谨调控的结构基础［5］。ATM 蛋白激酶在细胞DNA 双链断裂（double-strand DNA breaks，DSB）损伤修复反应中起核心作用［7］。活化的ATM 蛋白激酶也能通过P53 途径导致细胞凋亡或衰老［7］。如前言所述，ATM 功能缺失细胞对电离辐射和DSBs 诱导剂极度敏感，基因组不稳定，对恶性转化易感ATM 蛋白激酶DSBs 修复功能缺陷合理解释ATS 患者基因组不稳定、肿瘤易感、电离辐射敏感的表型。ATM 基因测序已经广泛用于ATS 的遗传咨询、优生优育、产前筛查和基因诊断［2］。ATM 激酶抑制剂也广泛用作肿瘤放疗增敏剂［2］。ATM 的DSBs 修复功能难以解释ATS 的生长停滞、早老、胰岛素抵抗、共济失调等临床症状［6］。在小脑神经元细胞中，ATM 蛋白主要分布在细胞质，其功能完全缺失引起小脑神经元细胞死亡，导致A-T 综合征［8］。这些研究提示ATM 在细胞质外有其它生物学功能。近年来，ATM 激酶的非DNA 双链断裂修复功能如细胞增殖调控越来越引起学界的重视，取得了较大进展。

2 ATM 蛋白激酶调控细胞增殖功能及其氧化活化途径

2.1 ATM 蛋白激酶调控细胞增殖

越来越多研究表明ATM 蛋白激酶对细胞增殖有重要促进作用。生长停滞是ATS 患者常见的临床症状。ATM基因敲除小鼠来源的造血干细胞、神经干细胞和星形胶质细胞等各种类型细胞均有增殖缺陷。ATM 功能缺失导致乳腺癌相关成纤维细胞（Cancer-associated fibroblasts，CAF）增殖缺陷［9］。在乳腺癌CAF 和神经细胞中，ATM 蛋白激酶主要分布在细胞质中［8-9］，这提示在细胞质中ATM 蛋白激酶有非DSB 依赖的激活途径，可能参与调控细胞增殖。

2.2 ATM 蛋白激酶氧化活化

现有研究已证实，ATM 蛋白激酶是细胞的重要氧化还原感受器［10］。氧化应激（oxidative stress，OS）能以非经典途径直接激活ATM 蛋白激酶。在细胞质中，过氧化氢氧化ATM 第2 991位半胱氨酸残基上的硫醇基团成为次磺酸基团，该基团与另一ATM 蛋白单体的第2 991 位半胱氨酸残基上的硫醇基团共价结合并形成分子间二硫键，使非活性的ATM 二聚体转变成活性的ATM二聚体［11］。ATM 氧化活化是氧化应激特异的，不改变ATM 的分布和稳定性［11］。氧化型的ATM 蛋白激酶调控乳腺癌CAF 细胞增殖［9］，这提示氧化型ATM 可能参与调控小鼠造血干细胞、神经干细胞和星形胶质细胞等各种类型细胞的增殖［12-14］。作为蛋白激酶，氧化型ATM 很可能通过磷酸化下游许多底物，调节相关信号通路活性，从而在细胞增殖中发挥关键作用。现有研究表明，氧化型ATM 激酶至少通过维持细胞氧化还原稳态、调控细胞代谢和调节增殖相关信号通路活性等途径执行细胞增殖调控功能，具体依据见下文。

2.3 氧化型ATM 激酶调控细胞增殖的机制

2.3.1 细胞氧化还原稳态维持功能

氧化型ATM 蛋白激酶维持细胞氧化还原稳态以促进细胞增殖。ATM 功能缺陷升高细胞内活性氧族水平，降低细胞抗氧化能力，导致细胞氧化应激，激活相关信号通路从而抑制细胞增殖［11］。抗氧化剂N-乙酰-L-半胱氨酸（N-Acetyl-L-cysteine，NAC）能逆转ATM 功能缺失所致乳腺癌CAF氧化应激和增殖缺陷［9］。ATM 激酶通过增强细胞抗氧化能力和降低细胞活性氧族水平以维持细胞氧化还原稳态。ATM 激酶主要通过激活P53 和磷酸戊糖通路增强细胞抗氧化能力。在胰岛素刺激下，氧化型ATM 激酶磷酸化P53 第15 位丝氨酸残基，被磷酸化的P53 上调过氧化物还原酶等抗氧化蛋白表达，增强细胞抗氧化能力，维持糖耐受和胰岛素敏感［15-16］。在氧化应激条件下，氧化型ATM 激酶通过增强磷酸戊糖通路关键酶葡萄糖-6-磷酸脱氢酶活性，促进NADPH 抗氧化物产生、体内主要抗氧化物还原型谷胱甘肽再生和核酸合成［17］。另一方面，氧化型ATM 降低线粒体氧化磷酸化活性，减少活性氧族产生。在营养过剩或生长因子刺激下，作为负反馈机制，被线粒体来源活性氧族激活的ATM 激酶通过LKB1/AMPK/TSC2/mTORC1 信号轴抑制线粒体活性氧族的产生［18］。在低氧条件下，被线粒体来源的活性氧族直接氧化激活的ATM 激酶通过HIF1/mTORC1 信号轴抑制线粒体活性，减少活性氧族产生［18］。在高水平氧化应激条件下，氧化型ATM 磷酸化激活P53，引起细胞凋亡。因此，在胰岛素刺激等各种生理条件下，氧化型ATM 激酶精细化调节细胞氧化还原稳态的功能对细胞正常增殖有重要促进作用。

2.3.2 代谢调控功能

毛细血管扩张共济失调综合症（Ataxia-telangiectasia Syndrome，ATS）患者易罹患2 型糖尿病和生长停滞，表现为胰岛素抵抗和高血糖［6］，这提示ATM 功能缺失、糖代谢障碍和细胞增殖有密切关系。现有研究表明，氧化型ATM 激酶在细胞代谢中有重要调节作用。在胰岛素作用下，被氧化活化的ATM 激酶磷酸化AKT 第473 位丝氨酸残基，完全活化PI3K/AKT 信号通路，促进葡萄糖转运子4 膜转位，增加细胞葡萄糖摄取以利细胞增殖［19-20］。另外，ATM 激酶能激活磷酸戊糖通路关键酶葡萄糖-6-磷酸脱氢酶活性，增加NADPH 产生，有利于核酸合成和细胞增殖［17］。ATM 激酶也与蛋白、脂代谢密切相关。在胰岛素刺激下，ATM激酶活性增强，直接磷酸化eIF-4E-bingding protein 1（4E-BP1），启动蛋白合成［21］。Klising-Sireul等在2006年首次报道，在离子辐射下，ATM 激酶缺陷淋巴细胞的胆固醇代谢相关基因下调，导致细胞胆固醇含量下降，抑制细胞增殖［22］。最近，氧化型ATM 蛋白激酶在细胞能量代谢中的重要调控作用也不断被报道。氧化型ATM 通过磷酸化葡萄糖转运子1 第490 位丝氨酸和增加丙酮酸激酶M2 型表达水平促低氧癌相关成纤维细胞糖酵解能力［23］。氧化型ATM 蛋白激酶通过增强磷酸果糖激酶和柠檬酸合酶活性提高三阴性乳腺癌细胞内柠檬酸水平［24］。以上研究表明，ATM 激酶的细胞物质代谢调控功能在细胞增殖中有重要作用，其内在机制有待进一步阐明。

2.3.3 增殖信号通路活性调控功能

ATM 蛋白激酶精细调节正向和负向关键增殖信号通路控制细胞正常增殖。2001年，Peretz 首先报道ATM 激酶调控胰岛素样生长因子信号通路（insulin-like growth factor，GF）［25］。在胰岛素刺激下，ATM 激酶磷酸化AKT 第473 位丝氨酸残基，以完全激活PI3K/AKT 信号通路［19-20］。最近研究发现，氧化型ATM 激酶通过激活PI3K-AKT、MEK-ERK 和Wnt-β-catenin 等关键增殖信号通路活性在乳腺癌CAFs 细胞增殖中起关键作用［9］。以上研究表明ATM 激酶调控正向关键增殖信号通路促进细胞增殖。另一方面，ATM 激酶调控负向关键增殖信号通路抑制细胞增殖，防止细胞过度增殖或适应不利增殖环境。现有研究表明，ATM 激酶主要通过抑制mTOR 信号通路活性负向调控细胞增殖。在氧化应激条件下，ATM 激酶依赖的LKB1 第366 位苏氨酸残基磷酸化激活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 信号通路［26］。反过来，在胰岛素或生长因子刺激下，活化的mTOR 通路上调线粒体活性，导致细胞氧化应激和ATM 的氧化活化，以防止细胞过度增殖［27］。在低氧条件下，氧化型ATM 激酶磷酸化HIF1（hypoxiainducible factor 1）α 亚基第696 位丝氨酸残基，以激活HIF1/14-3-3/REDD1/TSC2 信号轴，下调mTOR信号通路活性，抑制细胞增殖，适应低氧环境［28-29］。以上研究说明，ATM 激酶在细胞增殖调控信号通路网络中处于核心位置，在细胞增殖中发挥非常重要作用，其内在机制有待深入研究。

3 结束语

ATM 蛋白激酶的DSB 修复功能难以解释ATS 患者生长停滞等临床表现的困惑激发了学界探索其内在机制的强烈兴趣。越来越多研究证实，ATM 激酶在细胞增殖中起关键作用。现有研究表明，ATM 蛋白激酶磷酸化下游底物，调控相关信号通路，维持细胞氧化还原稳态、促进细胞代谢和协同调节增殖相关信号通路活性以精细调控细胞正常增殖。因为ATM 激酶氧化激活的机制到2010年才被揭示和ATM 两种激活机制很可能同时存在，今后ATM 激酶相关研究要明确其激活机制，以往ATM 激酶相关研究要进一步厘清其功能归属，以利于ATM 相关深入研究和临床应用。氧化活化的ATM 蛋白激酶是细胞增殖调控网络中的关键节点，在各种增殖信号作用下，协调细胞各方面行为，精密调控细胞增殖，以适应增殖信号。作为蛋白激酶，氧化型ATM 很有可能调控许多未知的底物和或相关信号通路，以调控细胞增殖，但有待阐明。这不仅有利于揭示氧化型ATM 激酶调控细胞增殖的内在机理，而且有助于寻找新的增殖性疾病如恶性肿瘤的干预策略和手段。