Die Aufrechterhaltung der Genomstabilität ist wesentlich für die Verhinderung von übermäßigem Zelltod oder Neoplasie (Cassidy und Venkitaraman, 2012). Kritische DNA-Läsionen wie Doppelstrangbrüche (DSBs) aktivieren die DNA-Schadensreaktion (DDR) – ein weit verzweigtes Signalnetzwerk, das die DNA-Reparatur, die Aktivierung von Zellzykluskontrollpunkten und eine umfassende Modulation der Genexpression und vieler Stoffwechselwege umfasst (Ciccia und Elledge, 2010; Hiom, 2010). DSBs werden durch ionisierende Strahlung, radiomimetische Chemikalien und körpereigene Sauerstoffradikale ausgelöst. Sie gehen mit dem Abreißen der Replikationsgabel einher und werden bei der meiotischen Rekombination und der Neuanordnung der Antigenrezeptorgene während der Entwicklung des Immunsystems gebildet und wieder verschlossen. Die wichtigsten Reparaturwege für DSBs sind die fehleranfällige nicht-homologe Endverbindung (NHEJ) oder die Reparatur durch homologe Rekombination mit hoher Zuverlässigkeit (HRR; Holthausen et al., 2010; Lieber, 2010). Das breite, leistungsstarke Signalnetzwerk, das durch DSBs hervorgerufen wird, beginnt mit der schnellen Anhäufung einer großen Gruppe von Proteinen an DSB-Stellen, die als „Sensoren“ oder „Moderatoren“ bezeichnet werden, und setzt sich mit der Aktivierung mehrerer Proteinkinasen („Transducer“) mit teilweise redundanten Funktionen fort, die das Signal an zahlreiche nachgeschaltete Effektoren weiterleiten, die typischerweise Schlüsselakteure in den verschiedenen DDR-Zweigen sind (Lovejoy und Cortez, 2009; Ciccia und Elledge, 2010; Lukas et al, 2011).

Der primäre Auslöser des DSB-Alarms ist die Serin-Threonin-Kinase Ataxia Telangiectasia (A-T) mutated (ATM; Banin et al., 1998; Canman et al., 1998), die als Reaktion auf die DSB-Induktion aktiviert wird (Bakkenist und Kastan, 2003) und anschließend eine Vielzahl von Substraten phosphoryliert (Matsuoka et al., 2007; Bensimon et al., 2010). ATM gehört zu einer konservierten Familie von Phosphoinositid-3-Kinase-ähnlichen Proteinkinasen (PIKKs), zu der unter anderem zwei weitere wichtige DDR-Transduktoren gehören: die katalytische Untereinheit der DNA-abhängigen Proteinkinase (DNA-PKcs) und ATR (Ataxia telangiectasia and Rad3 related). Diese drei Kinasen unterhalten enge funktionelle Beziehungen (Lovejoy und Cortez, 2009). Jüngste Erkenntnisse deuten darauf hin, dass ATM aufgrund seiner weitreichenden Fähigkeit als Proteinkinase auch andere Prozesse regulieren kann, wie z. B. das Niveau von oxidativem Stress (Guo et al., 2010), und eine Rolle in zytoplasmatischen, nicht-DDR-Arenen spielt, darunter die mitochondriale Homöostase (Yang et al., 2011; Valentin-Vega und Kastan, 2012; Valentin-Vega et al., 2012).

Menschliche Keimbahnmutationen, die die zellulären Reaktionen auf DNA-Schäden außer Kraft setzen, verursachen schwere genomische Instabilitätssyndrome (Jeppesen et al., 2011). Das ATM-Gen ist bei dem genomischen Instabilitätssyndrom A-T mutiert (Savitsky et al., 1995). A-T ist gekennzeichnet durch fortschreitende Neurodegeneration, Immunschwäche, Krebsanfälligkeit, genomische Instabilität und Empfindlichkeit gegenüber DSB-induzierenden Substanzen (McKinnon, 2012). Die Krankheit wird durch Null-ATM-Mutationen verursacht, und die Patienten weisen in der Regel einen vollständigen Verlust des ATM-Proteins auf (Gilad et al., 1996).

Studien zu ATM-abhängigen Prozessen stützen sich in der Regel auf menschliche Wildtyp- versus A-T-Zellen, ATM-Knockdown mittels RNAi, Rekonstitution von ATM-defizienten Zellen durch ektopische Expression von Wildtyp- oder Kinase-dead-ATM-Protein oder Behandlung kultivierter Zellen mit ATM-Inhibitoren. Laboratorien, die diese experimentellen Systeme verwenden, sind seit langem der Ansicht, dass die physiologischen Folgen des ATM-Verlusts im Gegensatz zur Beherbergung von inaktivem ATM möglicherweise nicht ähnlich sind (Choi et al., 2010). Die Arbeiten von Daniel et al. und Yamamoto et al. (beide in dieser Ausgabe) liefern solide Beweise für diese Annahme und markieren einen Wendepunkt in unserer Sicht auf die Funktionsweise von ATM. Beide Arbeiten beruhen auf der Manipulation des Atm-Gens in der Maus.

Atm-Knockout-Mäuse gibt es schon lange. Diese Mäuse weisen die meisten Symptome von A-T auf, einschließlich niedrigem Körpergewicht, Sterilität, Strahlenempfindlichkeit und Krebsneigung, aber die Neurodegeneration ist bei diesen Tieren wesentlich weniger ausgeprägt als bei menschlichen A-T-Patienten (Barlow et al., 1996; Elson et al., 1996; Xu et al., 1996; Borghesani et al., 2000). Somit ist der Atm-/–Phänotyp bei Mäusen vor der Krebsentstehung und ohne Strahlenbelastung relativ moderat. Mit Hilfe der Expression mutierter Atm-Transgene in einem Atm-/–Hintergrund (Daniel et al., 2012) und durch direktes Knock-in (Yamamoto et al., 2012) haben die beiden Gruppen neue Mausstämme erzeugt, denen die Atm-Aktivität fehlt; diese Tiere sind nicht frei von Atm, sondern exprimieren physiologische Mengen an katalytisch inaktivem (kinase totem) Protein. Auffallend ist, dass dieser Genotyp in beiden Labors zu einer frühen embryonalen Letalität führte, mit einer inhärenten genomischen Instabilität, die höher war als bei Atm-/- Tieren (Abb. 1). Die bedingte Expression des mutierten Proteins im Immunsystem verringerte die Effizienz der V(D)J-Rekombination (Variable, Diversity and Joining) und des Immunglobulinklassenwechsels – zwei Prozesse, die den NHEJ-Weg der DSB-Reparatur einbeziehen und für eine optimale Funktion aktives ATM erfordern. Insgesamt deuten die Daten aus beiden Labors darauf hin, dass der HRR-Weg der DSB-Reparatur und nicht der NHEJ-Weg durch das Vorhandensein von inaktivem Atm stärker beeinträchtigt wird als durch den Verlust von Atm.

Dieser dramatische Phänotyp wird vermutlich durch eine schwere Fehlfunktion der DDR verursacht, was einmal mehr ihre Bedeutung für die frühe Entwicklung unterstreicht. Die kritische Rolle der DDR in der Entwicklung wurde bereits in der Vergangenheit dokumentiert (Phillips und McKinnon, 2007), aber die Neuheit der aktuellen Studien liegt in dem tiefgreifenden Unterschied zwischen dem Verlust von Atm und dem Vorhandensein von katalytisch inaktivem Atm. Das Gleiche gilt wahrscheinlich auch beim Menschen: A-T-Patienten weisen in der Regel einen ATM-Verlust auf, und in den seltenen Fällen, in denen katalytisch inaktives ATM bei Patienten vorkommt, ist dessen Konzentration niedrig genug, um die Lebensfähigkeit zu gewährleisten. Eine ähnliche Beobachtung wurde kürzlich von Zhang et al. (2011) bei einem anderen Mitglied der PIKK-Familie – DNA-PKcs – gemacht. Diese Gruppe fand heraus, dass Mäuse, die eine mutierte Version von DNA-PKcs exprimieren, der drei mit ihrer Aktivierung verbundene Phosphorylierungsstellen fehlen, kurz nach der Geburt an einem Knochenmarkversagen sterben. Interessanterweise führte die Abschaffung von drei Phosphorylierungsstellen in Maus-Atm, deren Äquivalente in menschlichem ATM während seiner Aktivierung phosphoryliert werden (Bakkenist und Kastan, 2003; Kozlov et al., 2006), zu keinem erkennbaren Phänotyp (Pellegrini et al., 2006; Daniel et al., 2008).

Es scheint also, dass das Vorhandensein physiologischer Mengen von inaktivem Atm die DDR stark beeinträchtigt, sicherlich stärker als sein Fehlen. Woran könnte das liegen? Obwohl der genaue Mechanismus dieses Phänomens unbekannt ist, können einige Annahmen getroffen werden. ATM wird an DSB-Stellen rekrutiert (Andegeko et al., 2001) und ist daher in den riesigen Kernfoci vorhanden, die diese Stellen umspannen. Viele ATM-vermittelte Phosphorylierungen finden innerhalb dieser Proteinkonglomerate statt. Wichtig ist, dass Daniel et al. (2012) und Yamamoto et al. (2012) festgestellt haben, dass die Rekrutierung von kinasetotem Atm an Stellen von DNA-Schäden normal erfolgt. Es ist möglich, dass das Vorhandensein von katalytisch inaktivem Atm innerhalb dieser DDR-Hubs die Fähigkeit der Zelle, auf den Schaden zu reagieren, stark beeinträchtigt. Vermutlich stört es die geordnete zeitliche Dynamik der Ereignisse innerhalb dieser Proteinfabriken (Lukas et al., 2011). Ein tieferes Verständnis der räumlichen Organisation dieser Proteinansammlungen (Chapman et al., 2012) und der zeitlichen Hierarchie der Ereignisse in ihnen könnte die Rolle von ATM nicht nur als Enzym, sondern auch als Proteinbestandteil in diesen Strukturen aufklären. Bemerkenswert ist, dass ATM ein großes Protein mit 3 056 Resten ist, von denen ∼10 % sein aktives Zentrum bilden. Die regulatorischen Funktionen der restlichen 90 % dieses Polypeptids sind weitgehend ungeklärt. Im weiteren Sinne zeigen diese Studien auf überzeugende Weise, dass zwischen dem Verlust eines Enzyms und dessen Inaktivität in der Zelle Welten liegen können. In diesem Zusammenhang wäre es interessant, die Entwicklung bösartiger Erkrankungen bei Tieren zu beobachten, die die Atm-Mutante in ihrem Lymphsystem exprimieren. Dies ist besonders wichtig, da die bei Atm-/- Mäusen beobachteten bösartigen Erkrankungen, ähnlich wie bei A-T-Patienten, in erster Linie lymphoid sind.

Die Auswirkungen auf die ATM-bezogene translationale Forschung sind bemerkenswert. ATM wurde natürlich als potenzielles Ziel angesehen, das in Tumorzellen inaktiviert werden kann, um sie selektiv für eine Strahlentherapie zu sensibilisieren (Begg et al., 2011; Basu et al., 2012; Golding et al., 2012). Das Aufkommen effizienter ATM-Inhibitoren (Hickson et al., 2004; Golding et al., 2009) hat diese Hoffnungen weiter beflügelt. Die gute Nachricht ist, dass die Wirkung dieser Inhibitoren auf die zelluläre Strahlenempfindlichkeit (und wahrscheinlich auch auf das allgemeine Wohlbefinden) tiefgreifender sein könnte als bisher angenommen, vorausgesetzt, diese kleinen Moleküle können gezielt auf die bösartigen Zellen ausgerichtet werden. Andererseits kann die Exposition von normalem, wucherndem Körpergewebe gegenüber ATM-Inhibitoren je nach Art des Gewebes unerwünscht sein. Eine solche Exposition von normalem Gewebe gegenüber einer ATM-Hemmung könnte, selbst wenn sie nur kurz ist, zu einer erheblichen genomischen Instabilität führen – eine potenzielle Triebkraft für die Entstehung neuer bösartiger Erkrankungen.