Utrzymanie stabilności genomu jest niezbędne do zapobiegania nadmiernej śmierci komórki lub neoplazji (Cassidy i Venkitaraman, 2012). Krytyczne uszkodzenia DNA, takie jak pęknięcia podwójnej nici (DSBs), aktywują odpowiedź na uszkodzenia DNA (DDR)- rozległą sieć sygnalizacyjną, która obejmuje naprawę DNA, aktywację punktów kontrolnych cyklu komórkowego oraz rozległą modulację ekspresji genów i wielu szlaków metabolicznych (Ciccia i Elledge, 2010; Hiom, 2010). DSBs są indukowane przez promieniowanie jonizujące, substancje chemiczne o działaniu radiomimetycznym oraz endogenne rodniki tlenowe. Towarzyszą one zahamowaniu widełek replikacyjnych, powstają i są ponownie zamykane podczas rekombinacji mejotycznej oraz rearanżacji genów receptorów antygenowych w trakcie rozwoju układu odpornościowego. Główne szlaki naprawy DSBs to podatne na błędy łączenie niehomologicznych końców (NHEJ) lub wysokosprawna naprawa przez rekombinację homologiczną (HRR; Holthausen i in., 2010; Lieber, 2010). Szeroka, potężna sieć sygnalizacyjna wywoływana przez DSBs rozpoczyna się od szybkiej akumulacji w miejscach DSB dużej grupy białek zwanych „sensorami” lub „moderatorami” i kontynuowana jest aktywacją kilku kinaz białkowych („transduktorów”) o częściowo redundantnych funkcjach, które przekazują sygnał do licznych efektorów downstream, będących zazwyczaj kluczowymi uczestnikami różnych gałęzi DDR (Lovejoy i Cortez, 2009; Ciccia i Elledge, 2010; Lukas i in, 2011).

Głównym transduktorem alarmu DSB jest kinaza serynowo-treoninowa ataxia telangiectasia (A-T) mutated (ATM; Banin i in., 1998; Canman i in., 1998), która jest aktywowana w odpowiedzi na indukcję DSB (Bakkenist i Kastan, 2003) i fosforyluje wiele substratów (Matsuoka i in., 2007; Bensimon i in., 2010). ATM należy do konserwatywnej rodziny kinaz białkowych podobnych do kinazy fosfoinozytydu 3 (PIKKs), która obejmuje między innymi dwa inne główne transduktory DDR: podjednostkę katalityczną kinazy białkowej zależnej od DNA (DNA-PKcs) oraz ATR (ataxia telangiectasia and Rad3 related). Te trzy kinazy utrzymują bliskie relacje funkcjonalne (Lovejoy i Cortez, 2009). Ostatnie dowody sugerują, że szerokie możliwości ATM jako kinazy białkowej pozwalają jej regulować inne procesy, takie jak poziom stresu oksydacyjnego (Guo i in., 2010), oraz odgrywać rolę w cytoplazmatycznych, nie-DDR arenach, między innymi w homeostazie mitochondrialnej (Yang i in., 2011; Valentin-Vega i Kastan, 2012; Valentin-Vega i wsp., 2012).

Ludzkie mutacje germinalne, które upośledzają odpowiedzi komórkowe na uszkodzenia DNA, powodują poważne zespoły niestabilności genomowej (Jeppesen i wsp., 2011). Gen ATM jest zmutowany w zespole niestabilności genomowej, A-T (Savitsky et al., 1995). A-T charakteryzuje się postępującą neurodegeneracją, niedoborem odporności, predyspozycją do nowotworów, niestabilnością genomową i wrażliwością na czynniki indukujące DSB (McKinnon, 2012). Choroba jest spowodowana mutacjami null ATM, a pacjenci zwykle wykazują całkowitą utratę białka ATM (Gilad i in., 1996).

Badania procesów zależnych od ATM zazwyczaj opierają się na ludzkich komórkach typu dzikiego w porównaniu z komórkami A-T, wyłączeniu ATM za pomocą RNAi, odtworzeniu komórek z niedoborem ATM poprzez ektopową ekspresję białka ATM typu dzikiego lub pozbawionego kinazy, lub traktowaniu hodowanych komórek inhibitorami ATM. Laboratoria wykorzystujące te systemy eksperymentalne od dawna uważały, że fizjologiczne konsekwencje utraty ATM w przeciwieństwie do posiadania nieaktywnego ATM mogą nie być podobne (Choi i in., 2010). Prace Daniela i wsp. oraz Yamamoto i wsp. (obie w tym numerze) dostarczają solidnych dowodów na potwierdzenie tej tezy i wyznaczają punkt zwrotny w naszym spojrzeniu na sposób funkcjonowania ATM. Obie prace oparte są na manipulacji genem Atm u myszy.

Myszy z nokautem Atm istnieją od dawna. Myszy te wykazują większość objawów A-T, w tym niską masę ciała, bezpłodność, promieniowrażliwość i predyspozycję do nowotworów, ale neurodegeneracja jest u nich znacznie mniej wyraźna w porównaniu z tą obserwowaną u ludzkich pacjentów z A-T (Barlow i in., 1996; Elson i in., 1996; Xu i in., 1996; Borghesani i in., 2000). Tak więc, przed pojawieniem się raka i bez ekspozycji na promieniowanie, fenotyp Atm-/- u myszy jest stosunkowo umiarkowany. Wykorzystując ekspresję zmutowanego transgenu Atm w tle Atm-/- (Daniel i in., 2012) oraz poprzez bezpośredni knockin (Yamamoto i in., 2012), obie grupy wygenerowały nowe szczepy myszy, którym brakuje aktywności Atm; zamiast być pozbawionymi Atm, zwierzęta te wyrażają fizjologiczne poziomy katalitycznie nieaktywnego (martwego kinazowo) białka. Co uderzające, w obu laboratoriach genotyp ten prowadził do wczesnej letalności embrionalnej, z nieodłączną niestabilnością genomową, która była wyższa niż ta obserwowana u zwierząt Atm-/- (Rys. 1). Warunkowa ekspresja zmutowanego białka w układzie odpornościowym zmniejszyła wydajność rekombinacji V(D)J (variable, diversity, and joining) i przełączania klas immunoglobulin – dwóch procesów, które angażują ścieżkę NHEJ naprawy DSB i wymagają aktywnego ATM do optymalnego działania. Jednak ta redukcja była porównywalna do tej spowodowanej brakiem Atm. Łącznie dane z obu laboratoriów sugerują, że ścieżka HRR naprawy DSB, a nie NHEJ, może być dotknięta w większym stopniu przez obecność nieaktywnego Atm w porównaniu z efektem uzyskanym po utracie Atm.

Ten dramatyczny fenotyp jest przypuszczalnie spowodowany poważnymi nieprawidłowościami w funkcjonowaniu DDR, po raz kolejny potwierdzając jego znaczenie we wczesnym rozwoju. Krytyczna rola DDR w rozwoju została udokumentowana w przeszłości (Phillips i McKinnon, 2007), ale nowość obecnych badań polega na głębokiej różnicy między utratą Atm a obecnością katalitycznie nieaktywnego Atm. To samo prawdopodobnie dotyczy również ludzi: Pacjenci z A-T zazwyczaj wykazują utratę ATM, a w rzadkich przypadkach katalitycznie nieaktywnego ATM u pacjentów, jego poziom jest na tyle niski, że pozwala na przeżycie. Podobnej obserwacji dokonali ostatnio Zhang i wsp. (2011) w odniesieniu do innego członka rodziny PIKK – DNA-PKcs. Grupa ta stwierdziła, że myszy wyrażające zmutowaną wersję DNA-PKcs, pozbawioną trzech miejsc fosforylacji związanych z jego aktywacją, umierają wkrótce po urodzeniu w wyniku niewydolności szpiku kostnego. Interesujące jest, że w przeciwieństwie do tego, zniesienie trzech miejsc fosforylacji w mysim Atm, których odpowiedniki w ludzkim ATM są fosforylowane podczas jego aktywacji (Bakkenist i Kastan, 2003; Kozlov i in., 2006), nie spowodowało żadnego zauważalnego fenotypu (Pellegrini i in., 2006; Daniel i in., 2008).

Wygląda więc na to, że obecność fizjologicznych poziomów nieaktywnego Atm poważnie zakłóca DDR, z pewnością bardziej niż jego brak. Dlaczego tak może być? Chociaż dokładny mechanizm tego zjawiska nie jest znany, można przyjąć pewne założenia. ATM jest rekrutowany do miejsc DSB (Andegeko i in., 2001) i dlatego jest obecny w ogromnych jądrowych ogniskach obejmujących te miejsca. W tych konglomeratach białkowych zachodzi wiele fosforylacji inicjowanych przez ATM. Co ważne, rekrutacja martwego kinazowo Atm do miejsc uszkodzeń DNA została stwierdzona przez Daniel i wsp. (2012) oraz Yamamoto i wsp. (2012) jako zachodząca normalnie. Jest możliwe, że obecność katalitycznie nieaktywnego Atm w obrębie tych węzłów DDR poważnie zaburza zdolność komórki do odpowiedzi na uszkodzenia. Przypuszczalnie zakłóca ona uporządkowaną dynamikę czasową zdarzeń w obrębie tych fabryk białkowych (Lukas i in., 2011). Głębsze zrozumienie organizacji przestrzennej tych zespołów białkowych (Chapman i in., 2012) oraz czasowej hierarchii zdarzeń w ich obrębie może wyjaśnić rolę ATM nie tylko jako enzymu, ale także jako cząsteczki białkowej w tych strukturach. ATM jest dużym białkiem o długości 3556 reszt, z czego ∼10% stanowi jego miejsce aktywne. Funkcje regulacyjne pozostałych 90% tego polipeptydu pozostają w dużej mierze niewiadomą. W szerszym ujęciu, badania te przekonuj±, że na poziomie organizmu utrata enzymu i jego nieaktywno¶ć w komórce mog± być bardzo odległe od siebie. W tym kontekście interesujące byłoby monitorowanie rozwoju nowotworów złośliwych u zwierząt wykazujących ekspresję zmutowanego Atm w ich układzie limfoidalnym. Jest to szczególnie ważne, ponieważ nowotwory złośliwe obserwowane u myszy Atm-/-, podobnie jak u pacjentów A-T, są głównie limfoidalne.

Implikacje dla badań translacyjnych związanych z ATM są godne uwagi. ATM był naturalnie uważany za potencjalny cel, który może być inaktywowany w komórkach nowotworowych w celu selektywnego uwrażliwienia ich na radioterapię (Begg i in., 2011; Basu i in., 2012; Golding i in., 2012). Pojawienie się skutecznych inhibitorów ATM (Hickson i in., 2004; Golding i in., 2009) jeszcze bardziej rozbudziło te nadzieje. Dobrą wiadomością jest to, że wpływ tych inhibitorów na radiowrażliwość komórek (i, prawdopodobnie, na ogólne samopoczucie) może być głębszy niż wcześniej szacowano, pod warunkiem, że te małe cząsteczki będą mogły być ukierunkowane specyficznie na komórki złośliwe. Z drugiej strony, narażenie normalnych, proliferujących tkanek ciała na działanie inhibitorów ATM może być niepożądane, w zależności od rodzaju tkanki. Taka ekspozycja normalnej tkanki na inhibicję ATM, nawet jeśli krótkotrwała, może prowadzić do znacznej niestabilności genomowej – potencjalnej siły napędowej w kierunku nowych nowotworów złośliwych.

.