Holdelse af genomisk stabilitet er afgørende for forebyggelse af unødig celledød eller neoplasi (Cassidy og Venkitaraman, 2012). Kritiske DNA-læsioner, såsom dobbeltstrengsbrud (DSB’er), aktiverer DNA-skadesresponset (DDR) – et udbredt signalnetværk, der involverer DNA-reparation, aktivering af kontrolpunkter i cellecyklus og omfattende modulering af genekspression og mange metaboliske veje (Ciccia og Elledge, 2010; Hiom, 2010). DSB’er induceres af ioniserende stråling, radiomimetiske kemikalier og endogene iltradikaler. De ledsager replikationsgaflen, der er gået i stå, og de dannes og forsegles igen ved meiotisk rekombination og omarrangeringen af antigenreceptorgenerne under udviklingen af immunsystemet. De vigtigste reparationsveje for DSB’er er fejlbehæftet nonhomologous end joining (NHEJ) eller high-fidelity homologous recombination repair (HRR; Holthausen et al., 2010; Lieber, 2010). Det brede, kraftfulde signalnetværk, der fremkaldes af DSB’er, begynder med hurtig akkumulering på DSB-steder af en stor gruppe proteiner kaldet “sensorer” eller “moderatorer” og fortsætter med aktivering af flere proteinkinaser (“transducere”) med delvist redundante funktioner, der videresender signalet til talrige nedstrøms effektorer, som typisk er nøgleaktører i de forskellige DDR-forgreninger (Lovejoy og Cortez, 2009; Ciccia og Elledge, 2010; Lukas et al., 2011).

Den primære transducer af DSB-alarmen er serin-threoninkinasen ataxia telangiectasia (A-T) mutated (ATM; Banin et al., 1998; Canman et al., 1998), som aktiveres som reaktion på DSB-induktion (Bakkenist og Kastan, 2003) og fortsætter med at fosforylerer et utal af substrater (Matsuoka et al., 2007; Bensimon et al., 2010). ATM tilhører en konserveret familie af phosphoinositid 3-kinase-lignende proteinkinaser (PIKK’er), der bl.a. omfatter to andre vigtige DDR-transducere: den katalytiske underenhed af den katalytiske underenhed af DNA-afhængig proteinkinase (DNA-PKcs) og ATR (ataxia telangiectasia og Rad3-relateret). Disse tre kinaser opretholder tætte funktionelle relationer (Lovejoy og Cortez, 2009). Nylige beviser tyder på, at ATM’s brede kapacitet som proteinkinase gør det muligt for den at regulere andre processer, såsom oxidative stressniveauer (Guo et al., 2010), og spille en rolle i cytoplasmatiske, ikke-DDR-arenaer, blandt andet mitokondriel homeostase (Yang et al, 2011; Valentin-Vega og Kastan, 2012; Valentin-Vega et al., 2012).

Menneskelige germlinemutationer, der ophæver cellulære reaktioner på DNA-skader, forårsager alvorlige syndromer af genomisk ustabilitet (Jeppesen et al., 2011). ATM-genet er muteret i det genomiske ustabilitetssyndrom, A-T (Savitsky et al., 1995). A-T er karakteriseret ved progressiv neurodegeneration, immundefekt, kræftprædisponering, genomisk ustabilitet og følsomhed over for DSB-inducerende stoffer (McKinnon, 2012). Sygdommen er forårsaget af nul ATM-mutationer, og patienterne udviser normalt fuldstændigt tab af ATM-proteinet (Gilad et al., 1996).

Studier af ATM-afhængige processer er typisk baseret på humane wild-type versus A-T-celler, ATM knockdown ved hjælp af RNAi, rekonstruktion af ATM-deficiente celler ved ektopisk ekspression af wild-type eller kinase-dødt ATM-protein eller behandling af dyrkede celler med ATM-inhibitorer. Laboratorier, der anvender disse eksperimentelle systemer, har længe følt, at de fysiologiske konsekvenser af ATM-tab i modsætning til at have inaktiv ATM måske ikke er ens (Choi et al., 2010). Artiklerne af Daniel et al. og Yamamoto et al. (begge i dette nummer) giver solide beviser for denne opfattelse og markerer et vendepunkt i vores syn på ATM’s funktionsmåde. Begge arbejder er baseret på manipulation af Atm-genet i musen.

Atm knockout-mus har længe eksisteret. Disse mus udviser de fleste af symptomerne på A-T, herunder lav kropsvægt, sterilitet, strålingsfølsomhed og kræftprædisponering, men neurodegenerationen er betydeligt mindre udtalt hos disse dyr sammenlignet med den, der er observeret hos menneskelige A-T-patienter (Barlow et al., 1996; Elson et al., 1996; Xu et al., 1996; Borghesani et al., 2000). Før kræftopkomsten og uden eksponering for stråling er murin Atm-/- fænotypen således relativt moderat. Ved hjælp af mutant Atm transgenekspression i en Atm-/- baggrund (Daniel et al., 2012) og via direkte knockin (Yamamoto et al., 2012) genererede de to grupper nye musestammer, der mangler Atm-aktivitet; snarere end at være blottet for Atm udtrykker disse dyr fysiologiske niveauer af katalytisk inaktivt (kinase dødt) protein. Påfaldende nok førte denne genotype i begge laboratorier til tidlig embryonal letalitet med en iboende genomisk ustabilitet, der var højere end den, der blev observeret i Atm-/–dyr (Fig. 1). Konditionel ekspression af det mutante protein i immunsystemet reducerede effektiviteten af V(D)J-rekombination (variabel, diversitet og sammenføjning) og immunoglobulinklasseskift – to processer, der involverer NHEJ-vejen for DSB-reparation og kræver aktiv ATM for optimal funktion. Denne reduktion var imidlertid sammenlignelig med den, der blev forårsaget af fravær af Atm. Samlet set tyder dataene fra begge laboratorier på, at HRR-vejen for DSB-reparation snarere end NHEJ kan blive påvirket i større omfang af tilstedeværelsen af inaktiv Atm sammenlignet med den effekt, der opnås efter Atm-tab.

Denne dramatiske fænotype skyldes formodentlig en alvorlig funktionsfejl i DDR, hvilket endnu en gang vidner om dens betydning i den tidlige udvikling. DDR’s kritiske rolle i udviklingen er tidligere blevet dokumenteret (Phillips og McKinnon, 2007), men det nye i de aktuelle undersøgelser ligger i den dybtgående forskel mellem Atm-tab og tilstedeværelsen af katalytisk inaktiv Atm. Det samme gælder sandsynligvis også hos mennesker: A-T patienter udviser typisk ATM tab, og i sjældne tilfælde af katalytisk inaktiv ATM hos patienter er dens niveau lavt nok til at muliggøre levedygtighed. En lignende observation blev for nylig gjort af Zhang et al. (2011) med et andet medlem af PIKK-familien-DNA-PKcs. Denne gruppe fandt, at mus, der udtrykker en mutantversion af DNA-PKcs, som mangler tre fosforyleringssteder, der er forbundet med dens aktivering, dør kort tid efter fødslen som følge af knoglemarvssvigt. Det er interessant at bemærke, at i modsætning hertil resulterede ophævelse af tre fosforyleringssteder i musens Atm, hvis ækvivalenter i menneskelig ATM fosforyleres under aktiveringen (Bakkenist og Kastan, 2003; Kozlov et al., 2006), ikke i nogen mærkbar fænotype (Pellegrini et al., 2006; Daniel et al., 2008).

Det ser derfor ud til, at tilstedeværelsen af fysiologiske niveauer af inaktiv Atm alvorligt forstyrrer DDR, helt sikkert mere end fraværet af den. Hvorfor kan dette være tilfældet? Selv om den nøjagtige mekanisme for dette fænomen er ukendt, kan der fremsættes nogle antagelser. ATM rekrutteres til DSB-steder (Andegeko et al., 2001) og er derfor til stede i de enorme nukleare foci, der spænder over disse steder. Mange ATM-medierede fosforyleringer finder sted inden for disse proteinkonglomerater. Det er vigtigt, at rekruttering af kinase-død Atm til steder med DNA-skader blev fundet af Daniel et al. (2012) og Yamamoto et al. (2012) for at ske normalt. Det er muligt, at tilstedeværelsen af katalytisk inaktiv Atm inden for disse DDR-hubs alvorligt forstyrrer cellens evne til at reagere på skaden. Formentlig forstyrrer det den ordnede tidsmæssige dynamik af begivenheder inden for disse proteinfabrikker (Lukas et al., 2011). Dybere forståelse af den rumlige organisering af disse proteinforsamlinger (Chapman et al., 2012) og det tidsmæssige hierarki af begivenheder inden for dem kan belyse ATM’s rolle ikke kun som et enzym, men også som en proteinkomponent i disse strukturer. Det er værd at bemærke, at ATM er et stort protein på 3,056 rester, hvoraf ∼10% udgør dets aktive sted. De regulerende funktioner for de resterende 90% af dette polypeptid er stort set uopklarede. I bredere forstand viser disse undersøgelser på overbevisende vis på organismeniveau, at tab af et enzym i forhold til at have det inaktivt i cellen kan være en verden til forskel. I den forbindelse ville det være interessant at overvåge udviklingen af maligniteter hos de dyr, der udtrykker den muterede Atm i deres lymfoide system. Dette er særlig vigtigt, fordi de maligniteter, der er observeret i Atm-/- mus, i lighed med A-T-patienter, primært er lymfoide.

Den betydning for ATM-relateret translationel forskning er bemærkelsesværdig. ATM er naturligt blevet betragtet som et potentielt mål, der skal inaktiveres i tumorceller for selektivt at sensibilisere dem for strålebehandling (Begg et al., 2011; Basu et al., 2012; Golding et al., 2012). Fremkomsten af effektive ATM-hæmmere (Hickson et al., 2004; Golding et al., 2009) har yderligere ansporet disse forhåbninger. Den gode nyhed er, at virkningen af disse inhibitorer på den cellulære radiosensitivitet (og sandsynligvis det generelle velbefindende) kan være mere dybtgående end tidligere anslået, forudsat at disse små molekyler kan målrettes specifikt mod de maligne celler. På den anden side kan det på den anden side være uønsket at udsætte normale, prolifererende kropsvæv for ATM-hæmmere, afhængigt af vævstypen. En sådan eksponering af normalt væv for ATM-hæmning, selv om den er kortvarig, kan føre til betydelig genomisk ustabilitet – en potentiel drivkraft i retning af ny malignitet.