PMC
Genomistabiilisuuden ylläpito on olennaista tarpeettoman solukuoleman tai neoplasian ehkäisemiseksi (Cassidy ja Venkitaraman, 2012). Kriittiset DNA-vauriot, kuten kaksoisjuostekatkokset (DSB), aktivoivat DNA-vauriovasteen (DDR) – laajalle levinneen signaaliverkoston, johon kuuluu DNA:n korjaaminen, solusyklin tarkistuspisteiden aktivoituminen sekä geeniekspression ja monien aineenvaihduntapolkujen laaja modulaatio (Ciccia ja Elledge, 2010; Hiom, 2010). DSB:tä indusoivat ionisoiva säteily, radiomimeettiset kemikaalit ja endogeeniset happiradikaalit. Niihin liittyy replikaatiohaarukan pysähtyminen, ja niitä muodostuu ja sulkeutuu uudelleen meioottisessa rekombinaatiossa ja antigeenireseptorigeenien uudelleenjärjestäytymisessä immuunijärjestelmän kehityksen aikana. Tärkeimmät DSB:iden korjausreitit ovat virhealtis ei-homologinen päätyliitos (NHEJ, nonhomologous end joining) tai korkean uskollisuuden homologinen rekombinaatiokorjaus (HRR, Holthausen et al., 2010; Lieber, 2010). DSB:iden herättämä laaja ja voimakas signaaliverkosto alkaa ”sensoreiksi” tai ”moderaattoreiksi” kutsuttujen proteiinien suuren ryhmän nopealla kertymisellä DSB-kohtiin ja jatkuu useiden proteiinikinaasien (”transduktorit”) aktivoitumisella, joilla on osittain redundantteja toimintoja ja jotka välittävät signaalin edelleen lukuisille alempana oleville efektoreille, jotka ovat tyypillisesti avaintoimijoita DDR:n eri haaroissa (Lovejoy ja Cortez, 2009; Ciccia ja Elledge, 2010; Lukas et al, 2011).
DSB-hälytyksen ensisijainen välittäjä on seriini-treoniinikinaasi ataxia telangiectasia (A-T) mutated (ATM; Banin ym., 1998; Canman ym., 1998), joka aktivoituu vasteena DSB-induktiolle (Bakkenist ja Kastan, 2003) ja jatkaa fosforyloimalla lukuisia substraatteja (Matsuoka ym., 2007; Bensimon ym., 2010). ATM kuuluu konservoituneeseen fosfoinositidi-3-kinaasin kaltaisten proteiinikinaasien (PIKK:t) perheeseen, johon kuuluu muun muassa kaksi muuta merkittävää DDR-transduktoria: DNA-riippuvaisen proteiinikinaasin katalyyttisen alayksikön (DNA-PKcs) katalyyttinen alayksikkö (DNA-dependent protein kinase catalytic subunit, DNA-PKcs) ja ATR:n (ataksia-telangiektasian ja Rad3:n sukuiset). Näillä kolmella kinaasilla on läheiset toiminnalliset suhteet (Lovejoy ja Cortez, 2009). Viimeaikaiset todisteet viittaavat siihen, että ATM:n laaja kyky proteiinikinaasina antaa sille mahdollisuuden säädellä muitakin prosesseja, kuten oksidatiivisen stressin tasoja (Guo ym., 2010), ja sillä on rooli sytoplasmisilla, ei-DDR-areenoilla, muun muassa mitokondrioiden homeostaasissa (Yang ym, 2011; Valentin-Vega ja Kastan, 2012; Valentin-Vega ym., 2012).
Ihmisten ituradan mutaatiot, jotka kumoavat solujen vasteet DNA-vaurioihin, aiheuttavat vakavia genomisen epävakauden oireyhtymiä (Jeppesen ym., 2011). ATM-geeni on mutatoitunut genomisen epävakauden oireyhtymässä A-T (Savitsky ym., 1995). A-T:lle on ominaista etenevä neurodegeneraatio, immuunipuutos, syöpäalttius, genominen epävakaus ja herkkyys DSB:tä indusoiville aineille (McKinnon, 2012). Sairaus johtuu nollatyyppisistä ATM-mutaatioista, ja potilailla esiintyy yleensä ATM-proteiinin täydellistä häviämistä (Gilad ym., 1996).
ATMAT-riippuvaisten prosessien tutkimukset perustuvat tyypillisesti ihmisen villityyppisiin soluihin verrattuna A-T:hen, ATM:n tyrmäykseen RNAi:n avulla, ATM:n vajavaisten solujen rekonstruoimiseen villiä tyyppiä edustavan tai kinaasityhjän ATM-proteiinin ektooppisella ekspressiolla tai viljeltyjen solujen hoitoon ATM:n estäjillä. Näitä koejärjestelmiä käyttävät laboratoriot ovat jo pitkään olleet sitä mieltä, että ATM:n menetyksen fysiologiset seuraukset verrattuna inaktiivisen ATM:n kätkemiseen eivät välttämättä ole samanlaisia (Choi et al., 2010). Danielin ym. ja Yamamoton ym. artikkelit (molemmat tässä numerossa) tarjoavat vankkaa näyttöä tästä käsityksestä ja merkitsevät käännekohtaa näkemyksessämme ATM:n toimintatavasta. Molemmat työt perustuvat Atm-geenin manipulointiin hiiressä.
Atm knockout -hiiriä on ollut olemassa jo pitkään. Näillä hiirillä esiintyy suurin osa A-T:n oireista, kuten alhainen ruumiinpaino, steriiliys, säteilyherkkyys ja alttius syöpään, mutta neurodegeneraatio on näillä eläimillä huomattavasti vähäisempää kuin ihmisillä A-T-potilailla havaittu (Barlow ym., 1996; Elson ym., 1996; Xu ym., 1996; Borghesani ym., 2000). Näin ollen ennen syövän syntyä ja ilman säteilyaltistusta hiirten Atm-/- fenotyyppi on suhteellisen maltillinen. Käyttämällä mutanttisen Atm-transgeenin ilmentymistä Atm-/- -taustalla (Daniel ym., 2012) ja suoran knockinin kautta (Yamamoto ym., 2012) nämä kaksi ryhmää tuottivat uusia hiirikantoja, joilla ei ole Atm-aktiivisuutta; sen sijaan, että nämä eläimet olisivat vailla Atm:ää, ne ilmentävät fysiologisia määriä katalyyttisesti inaktiivista (kinaasi kuollutta) proteiinia. Huomiota herättävää on, että molemmissa laboratorioissa tämä genotyyppi johti varhaiseen alkion letaliteettiin, ja sen luontainen genominen epävakaus oli suurempi kuin Atm-/-eläimillä havaittu (kuva 1). Mutaatioproteiinin ehdollinen ilmentyminen immuunijärjestelmässä vähensi V(D)J (variable, diversity, and joining) -rekombinaation ja immunoglobuliiniluokan vaihtamisen tehokkuutta – kaksi prosessia, joihin liittyy DSB-korjauksen NHEJ-reitti ja jotka edellyttävät aktiivista ATM:ää optimaaliseen toimintaan. Tämä vähennys oli kuitenkin verrattavissa Atm:n puuttumisen aiheuttamaan vähennykseen. Kokonaisuudessaan molempien laboratorioiden tiedot viittaavat siihen, että inaktiivisen Atm:n läsnäolo saattaa vaikuttaa enemmän DSB:n korjauksen HRR-reittiin kuin NHEJ:ään verrattuna Atm:n menettämisen jälkeen saatuun vaikutukseen.
Hiiren Atm:n genotyyppien fennotyypillinen vertailu. Hiiret, jotka ilmentävät inaktiivista proteiinia ainoana Atm-lähteenään, kuolevat kohdussa (Daniel ym., 2012; Yamamoto ym. 2012). Heterotsygootit muistuttavat villityyppisiä (WT) eläimiä, mikä osoittaa dominoivan negatiivisen vaikutuksen puuttumista. HRR, homologinen rekombinaatiokorjaus; kd, kinaasi kuollut.
Tämä dramaattinen fenotyyppi johtuu oletettavasti DDR:n vakavasta toimintahäiriöstä, mikä osoittaa jälleen kerran sen merkityksen varhaisessa kehityksessä. DDR:n kriittinen rooli kehityksessä on dokumentoitu aiemminkin (Phillips ja McKinnon, 2007), mutta tämänhetkisten tutkimusten uutuus piilee siinä, että Atm:n menetys ja katalyyttisesti inaktiivisen Atm:n läsnäolo eroavat toisistaan syvästi. Sama pätee todennäköisesti myös ihmisillä: A-T-potilailla esiintyy tyypillisesti ATM-katoa, ja harvinaisissa tapauksissa, joissa katalyyttisesti inaktiivinen ATM esiintyy potilailla, sen taso on riittävän alhainen elinkelpoisuuden mahdollistamiseksi. Samanlaisen havainnon tekivät hiljattain Zhang et al. (2011) toisesta PIKK-perheen jäsenestä, DNA-PKcs:stä. Ryhmä havaitsi, että hiiret, jotka ilmentävät DNA-PKcs:n mutanttiversiota, josta puuttuu kolme sen aktivointiin liittyvää fosforylaatiokohtaa, kuolevat pian syntymän jälkeen luuydinvajauksen seurauksena. On mielenkiintoista huomata, että päinvastoin kolmen fosforylaatiokohdan poistaminen hiiren Atm:stä, joiden vastineet ihmisen ATM:ssä fosforyloidaan sen aktivoituessa (Bakkenist ja Kastan, 2003; Kozlov ym., 2006), ei johtanut mihinkään havaittavissa olevaan fenotyyppiin (Pellegrini ym., 2006; Daniel ym., 2008).
Näyttää siis siltä, että fysiologisten määrien inaktiivisen Atm:n läsnäolo häiritsee vakavasti DDR:n toimintaa, varmastikin voimakkaammin kuin sen puuttuminen. Miksi näin voisi olla? Vaikka tämän ilmiön tarkkaa mekanismia ei tunneta, voidaan tehdä joitakin oletuksia. ATM rekrytoituu DSB-kohtiin (Andegeko ym., 2001) ja on siksi läsnä näitä kohtia ympäröivissä valtavissa ydinpesäkkeissä. Monet ATM:n välittämät fosforylaatiot tapahtuvat näissä proteiinikonglomeraateissa. Tärkeää on, että Daniel ym. (2012) ja Yamamoto ym. (2012) havaitsivat kinaasikuolleen ATM:n rekrytoituvan DNA-vauriokohtiin normaalisti. On mahdollista, että katalyyttisesti inaktiivisen Atm:n läsnäolo näissä DDR-keskittymissä häiritsee vakavasti solun kykyä reagoida vaurioon. Oletettavasti se häiritsee tapahtumien järjestäytynyttä ajallista dynamiikkaa näissä proteiinitehtaissa (Lukas et al., 2011). Näiden proteiinikokoonpanojen spatiaalisen järjestäytymisen (Chapman ym., 2012) ja niissä tapahtuvien tapahtumien ajallisen hierarkian syvempi ymmärtäminen voi selventää ATM:n roolia paitsi entsyyminä myös proteiiniosana näissä rakenteissa. On huomattava, että ATM on suuri proteiini, jossa on 3 056 jäännöstä, joista ∼10 % muodostaa sen aktiivisen alueen. Tämän polypeptidin jäljelle jäävän 90 %:n säätelytoiminnot ovat suurelta osin hämärän peitossa. Laajemmassa mielessä nämä tutkimukset osoittavat vakuuttavasti organismin tasolla, että entsyymin häviäminen ja sen pysyminen inaktiivisena solussa voivat olla maailmojen päässä toisistaan. Tässä yhteydessä olisi mielenkiintoista seurata pahanlaatuisten kasvainten kehittymistä eläimissä, jotka ilmentävät mutanttia Atm:ää lymfaattisessa järjestelmässään. Tämä on erityisen tärkeää, koska Atm-/-hiirillä havaitut pahanlaatuiset kasvaimet ovat A-T-potilaiden tapaan ensisijaisesti lymfaattisia.
Vaikutukset ATM:ään liittyvään translaatiotutkimukseen ovat huomattavat. ATM:ää on luonnollisesti pidetty potentiaalisena kohteena, jota voidaan inaktivoida kasvainsoluissa, jotta ne voitaisiin valikoivasti herkistää sädehoidolle (Begg et al., 2011; Basu et al., 2012; Golding et al., 2012). Tehokkaiden ATM:n estäjien tulo (Hickson ym., 2004; Golding ym., 2009) on vauhdittanut näitä toiveita entisestään. Hyvä uutinen on, että näiden inhibiittoreiden vaikutus solujen säteilyherkkyyteen (ja todennäköisesti myös yleiseen hyvinvointiin) saattaa olla syvällisempi kuin aiemmin on arvioitu, edellyttäen, että nämä pienet molekyylit voidaan kohdistaa erityisesti pahanlaatuisiin soluihin. Toisaalta normaalien, proliferoivien kudosten altistuminen ATM:n estäjille voi olla epätoivottavaa kudostyypistä riippuen. Tällainen normaalin kudoksen altistuminen ATM:n estolle, vaikka se olisikin lyhytaikaista, voisi johtaa huomattavaan genomiseen epävakauteen – potentiaaliseen liikkeellepanevaan voimaan kohti uutta pahanlaatuisuutta.