Menținerea stabilității genomice este esențială pentru prevenirea morții celulare nejustificate sau a neoplaziei (Cassidy și Venkitaraman, 2012). Leziunile critice ale ADN-ului, cum ar fi rupturile de dublu catenă (DSBs), activează răspunsul la deteriorarea ADN-ului (DDR) – o rețea de semnalizare extinsă care implică repararea ADN-ului, activarea punctelor de control ale ciclului celular și o modulare extinsă a expresiei genice și a multor căi metabolice (Ciccia și Elledge, 2010; Hiom, 2010). DSBs sunt induse de radiațiile ionizante, de substanțele chimice radiomimetice și de radicalii de oxigen endogeni. Acestea însoțesc blocarea furcii de replicare și sunt formate și resigilate în recombinarea meiotică și în rearanjarea genelor receptorilor de antigen în timpul dezvoltării sistemului imunitar. Principalele căi de reparare a DSB-urilor sunt unirea nonhomologă a capetelor (NHEJ), predispusă la erori, sau repararea prin recombinare omoloagă de înaltă fidelitate (HRR; Holthausen et al., 2010; Lieber, 2010). Rețeaua amplă și puternică de semnalizare evocată de DSBs începe cu acumularea rapidă la situsurile DSB a unui grup mare de proteine numite „senzori” sau „moderatori” și continuă cu activarea mai multor proteine kinaze („transductoare”) cu funcții parțial redundante care transmit semnalul către numeroși efectori din aval, care sunt de obicei actori-cheie în diverse ramuri DDR (Lovejoy și Cortez, 2009; Ciccia și Elledge, 2010; Lukas et al, 2011).

Primul transductor al alarmei DSB este serin-treonină kinaza ataxia telangiectasia (A-T) mutantă (ATM; Banin et al., 1998; Canman et al., 1998), care este activată ca răspuns la inducerea DSB (Bakkenist și Kastan, 2003) și continuă să fosforileze o multitudine de substraturi (Matsuoka et al., 2007; Bensimon et al., 2010). ATM aparține unei familii conservate de proteine kinaze asemănătoare fosfoinositidelor 3-kinazei (PIKK) care include, printre altele, alți doi transducători DDR majori: subunitatea catalitică a subunității catalitice a proteinei kinazei dependente de ADN (DNA-PKcs) și ATR (ataxia telangiectaziei și legată de Rad3). Aceste trei kinaze întrețin relații funcționale strânse (Lovejoy și Cortez, 2009). Dovezile recente sugerează că capacitatea extinsă a ATM ca proteinkinază îi permite să reglementeze alte procese, cum ar fi nivelurile de stres oxidativ (Guo et al., 2010), și să joace un rol în arene citoplasmatice, non-DDR, printre care homeostazia mitocondrială (Yang et al., 2011; Valentin-Vega și Kastan, 2012; Valentin-Vega et al., 2012).

Mutațiile din linia germinală umană care abrogă răspunsurile celulare la deteriorarea ADN provoacă sindroame severe de instabilitate genomică (Jeppesen et al., 2011). Gena ATM este mutantă în sindromul de instabilitate genomică, A-T (Savitsky et al., 1995). A-T se caracterizează prin neurodegenerare progresivă, imunodeficiență, predispoziție la cancer, instabilitate genomică și sensibilitate la agenții care induc DSB (McKinnon, 2012). Boala este cauzată de mutații ATM nule, iar pacienții prezintă, de obicei, pierderea completă a proteinei ATM (Gilad et al., 1996).

Studiile proceselor dependente de ATM se bazează în mod obișnuit pe celule umane de tip sălbatic față de celulele A-T, pe reducerea ATM cu ajutorul RNAi, pe reconstituirea celulelor cu deficit de ATM prin exprimarea ectopică a proteinei ATM de tip sălbatic sau a proteinei ATM moarte din punct de vedere kinazic, sau pe tratarea celulelor cultivate cu inhibitori ATM. Laboratoarele care utilizează aceste sisteme experimentale au considerat de mult timp că este posibil ca consecințele fiziologice ale pierderii ATM, spre deosebire de găzduirea ATM inactiv, să nu fie similare (Choi et al., 2010). Articolele lui Daniel et al. și Yamamoto et al. (ambele în acest număr) oferă dovezi solide ale acestei noțiuni și marchează un punct de cotitură în viziunea noastră asupra modului de funcționare a ATM. Ambele lucrări se bazează pe manipularea genei Atm la șoarece.

Șoarecii knockout Atm există de mult timp. Acești șoareci prezintă majoritatea simptomelor A-T, inclusiv greutate corporală scăzută, sterilitate, radiosensibilitate și predispoziție la cancer, dar neurodegenerarea este considerabil mai puțin marcată la aceste animale în comparație cu cea observată la pacienții umani cu A-T (Barlow et al., 1996; Elson et al., 1996; Xu et al., 1996; Borghesani et al., 2000). Astfel, înainte de apariția cancerului și fără expunere la radiații, fenotipul murin Atm-/-/- este relativ moderat. Folosind expresia transgenei Atm mutante Atm într-un fond Atm-/- (Daniel et al., 2012) și prin knockin direct (Yamamoto et al., 2012), cele două grupuri au generat noi tulpini de șoareci care nu au activitate Atm; în loc să fie lipsite de Atm, aceste animale exprimă niveluri fiziologice de proteină inactivă din punct de vedere catalitic (kinază moartă). În mod surprinzător, în ambele laboratoare, acest genotip a condus la letalitate embrionară timpurie, cu o instabilitate genomică inerentă mai mare decât cea observată la animalele Atm-/-/- (Fig. 1). Expresia condiționată a proteinei mutante în sistemul imunitar a redus eficiența recombinării V(D)J (variable, diversity, and joining) și a schimbării clasei de imunoglobuline – două procese care implică calea NHEJ de reparare a DSB și care necesită ATM activ pentru o funcționare optimă. Cu toate acestea, această reducere a fost comparabilă cu cea cauzată de absența Atm. În mod colectiv, datele din ambele laboratoare sugerează că calea HRR de reparare a DSB, mai degrabă decât NHEJ, poate fi afectată într-o măsură mai mare de prezența Atm inactiv în comparație cu efectul obținut după pierderea Atm.

Acest fenotip dramatic este probabil cauzat de o funcționare defectuoasă severă a DDR, atestând încă o dată importanța sa în dezvoltarea timpurie. Rolul critic al DDR în dezvoltare a fost documentat în trecut (Phillips și McKinnon, 2007), dar noutatea studiilor actuale constă în diferența profundă dintre pierderea Atm și prezența Atm inactivă din punct de vedere catalitic. Același lucru este probabil valabil și la om: Pacienții A-T prezintă de obicei pierderi de ATM, iar în cazurile rare de ATM catalitic inactiv la pacienți, nivelul acestuia este suficient de scăzut pentru a permite viabilitatea. O observație similară a fost făcută recent de Zhang et al. (2011) cu un alt membru al familiei PIKK-DNA-PKcs. Acest grup a constatat că șoarecii care exprimă o versiune mutantă a DNA-PKcs, lipsită de trei situsuri de fosforilare asociate cu activarea sa, mor la scurt timp după naștere ca urmare a insuficienței măduvei osoase. Este interesant de remarcat faptul că, spre deosebire de acest lucru, abolirea a trei situsuri de fosforilare în Atm de șoarece, ale căror echivalente în ATM uman sunt fosforilate în timpul activării sale (Bakkenist și Kastan, 2003; Kozlov et al., 2006), nu a avut ca rezultat niciun fenotip perceptibil (Pellegrini et al., 2006; Daniel et al., 2008).

Se pare, prin urmare, că prezența unor niveluri fiziologice de Atm inactiv interferează grav cu DDR, cu siguranță mai mult decât absența sa. De ce s-ar putea întâmpla acest lucru? Deși mecanismul exact al acestui fenomen este necunoscut, se pot face unele presupuneri. ATM este recrutat la siturile DSB (Andegeko et al., 2001) și, prin urmare, este prezent în uriașele focare nucleare care acoperă aceste situri. Multe fosforilări mediate de ATM au loc în cadrul acestor conglomerate de proteine. Este important de remarcat faptul că Daniel et al. (2012) și Yamamoto et al. (2012) au constatat că recrutarea Atm mort de kinază la locurile de deteriorare a ADN-ului se produce în mod normal. Este posibil ca prezența unui Atm inactiv din punct de vedere catalitic în cadrul acestor hub-uri DDR să perturbe grav capacitatea celulei de a răspunde la daune. Probabil că aceasta interferează cu dinamica temporală ordonată a evenimentelor din cadrul acestor fabrici de proteine (Lukas et al., 2011). O înțelegere mai profundă a organizării spațiale a acestor ansambluri proteice (Chapman et al., 2012) și a ierarhiei temporale a evenimentelor din cadrul acestora ar putea elucida rolul ATM nu numai ca enzimă, ci și ca o fracțiune proteică în aceste structuri. De remarcat, ATM este o proteină mare de 3.056 de reziduuri, din care ∼10% constituie situsul său activ. Funcțiile de reglementare ale celor 90% rămase din această polipeptidă sunt în mare parte evazive. Într-un sens mai larg, aceste studii arată în mod convingător, la nivel de organism, că pierderea unei enzime față de faptul că aceasta rezidă inactiv în celulă poate fi o lume aparte. În acest context, ar fi interesant să se monitorizeze dezvoltarea tumorilor maligne la acele animale care exprimă Atm mutant în sistemul lor limfoid. Acest lucru este deosebit de important, deoarece tumorile maligne observate la șoarecii Atm-/-, similar pacienților A-T, sunt în principal limfoide.

Implicațiile pentru cercetarea translațională legată de ATM sunt notabile. În mod natural, ATM a fost considerat o țintă potențială care să fie inactivată în celulele tumorale pentru a le sensibiliza selectiv la radioterapie (Begg et al., 2011; Basu et al., 2012; Golding et al., 2012). Apariția unor inhibitori ATM eficienți (Hickson et al., 2004; Golding et al., 2009) a stimulat și mai mult aceste speranțe. Vestea bună este că efectul acestor inhibitori asupra radiosensibilității celulare (și, probabil, asupra bunăstării generale) ar putea fi mai profund decât s-a estimat anterior, cu condiția ca aceste molecule mici să poată fi direcționate în mod specific către celulele maligne. Pe de altă parte, expunerea țesuturilor corporale normale, aflate în proliferare, la inhibitorii ATM poate fi nedorită, în funcție de tipul de țesut. O astfel de expunere a țesuturilor normale la inhibiția ATM, chiar dacă este de scurtă durată, ar putea duce la o instabilitate genomică substanțială – o potențială forță motrice spre noi malignități.

.