ATM信号通路如何介导DNA双链断裂修复

2019年11月28日 | 评论0 | 阅读8,658 | 点赞7

背景介绍

DNA存储着生物体赖以生存和繁衍的遗传信息，因此维护DNA分子的完整性对细胞至关重要。外界环境（如紫外线和放射线）和生物体内部的因素（如代谢活动）经常都会导致DNA分子的损伤或改变，而且与RNA及蛋白质可以在胞内大量合成不同，一般在一个原核细胞中只有一份DNA，在真核二倍体细胞中相同的DNA也只有一对，如果DNA的损伤或遗传信息的改变不能及时更正，对体细胞就可能影响其功能或生存，对生殖细胞则可能影响到后代。所以细胞为了维持基因组稳定性，进化出各种复杂而精确的DNA损伤应答（DNA damage response）机制来应对不同类型的DNA损伤。在细胞中能进行修复的生物大分子也就只有DNA，反映了DNA对生命的重要性。

1、DNA损伤原因

DNA损伤原因主要有两种（图1）：

➤ 内源性损伤，如被正常代谢的副产物活性氧分子（自由基）攻击导致的损伤（自发突变）；
➤ 外源性损伤，由外部因素引起，例如：

a. 来自太阳的紫外射线[UV 200－300nm]
b. 其他频率的辐射，包括X射线和γ射线
c. 某些植物毒素
d. 人造的突变物质，如吸烟产生的某些烃
e. 肿瘤的化学疗法和放射线疗法

2、DNA损伤修复类型

DNA修复是细胞中经常运行的一种进程，以快速地改正DNA结构上的任何错误之处。常见的修复方式主要有（图2）：

✦ 碱基切除修复（Base excision repair, BER）
✦ 核苷酸切除修复（Nucleotide excision repair, NER）
✦ 错误配对修复（Mismatch repair, MMR）
✦ 双链断裂修复

同源重组（Homologous recombination，HR）
非同源末端连接（Non-homologous end joining, NHEJ）

✦ 直接修复

图2：DNA损伤修复类型及关键效应蛋白。图片来源于网络

3、ATM信号通路

DNA双链断裂（Double strand break，DSB）是最为严重和最具威胁性的一种损伤类型，由同源重组修复和非同源末端连接修复两条路径，其损伤应答过程主要由ATM信号通路介导的细胞周期检验点激活、细胞周期停滞和损伤修复等过程。

ATM蛋白激酶是一种自体磷酸化蛋白，通常以无活性的二聚体形式分布于细胞核和细胞质中。ATM激酶主要参与DSB损伤修复，当发生DSB时，ATM 数分钟通过自磷酸化在 Ser1981 位点上激活，2-3小时磷酸化ATM激酶达到峰值。ATM 激酶可调节多种涉及细胞周期检查点控制、DNA 修复和凋亡的蛋白质。具体来讲，当DNA双链受各种理化因素刺激断裂时，首先需要识别断裂点，然后ATM蛋白二聚体分子内自体磷酸化并分离成有活性的ATM蛋白单体，诱发下游相应底物发生一系列复杂的磷酸化级联反应，已知的底物包括 p53、Chk2、Chk1、CtIP、eIF4EBP1、BRCA1、RPA3、H2A.X、SMC1、FANCD2、Rad17、Artemis、Nbs1 和 PP1 的 I-2 调节亚基。最终引起细胞周期如G1/S期阻滞，为DNA修复争取时间，防止错误的遗传信息传递给子代细胞，以维持染色体的稳定性和防止恶变。DNA双链损伤一旦修复失败，ATM介导p53作用于其下游底物如细胞周期抑制因子p21等导致G1/M期阻滞和细胞凋亡，凋亡执行蛋白caspase 3剪切PARP，使其失去酶活力，导致DNA修复的抑制并启动DNA的降解以及细胞凋亡（图3）。如果ATM基因突变会导致共济失调毛细血管扩张症 (AT)，该病是一种以肌肉运动不协调和神经变性为特征的常染色体隐性疾病。来自 AT 患者的细胞显示缺陷性 DNA 损伤诱导的检查点激活、辐射敏感性和更高的染色体断裂频率。

图3：ATM信号通路示意图。

ABclonal针对ATM 信号通路研究，利用第四代重组兔单抗技术（图4）制备了ATM（货号A19650），Chk2（货号A19543），Phospho-Histone H2AX-S139（货号AP0687），FANCD2（货号A19692），p21（货号A19094）和PARP（货号A19596）高质量重组兔单抗。