Znaczenie kinazy ATM w procesach neurodegeneracyjnych

Znaczenie kinazy ATM w procesach neurodegeneracyjnych

Znaczenie kinazy ATM w procesach neurodegeneracyjnych
STRESZCZENIE
horoby neurodegeneracyjne stanowią duże wyzwanie dla współczesnej medycyny. Pomimo wieloletnich badań nie poznano bezpośrednich przyczyn tych chorób ani nie opracowano skutecznej terapii. Rzadką
chorobą objawiającą się obumieraniem komórek głównie w móżdżku jest
zespół ataksja-teleangiektazja (A-T), który jest spowodowany mutacją w
genie kodującym kinazę ATM biorącą udział między innymi w naprawie
uszkodzeń DNA, regulacji cyklu komórkowego oraz kontroli apoptozy. W
ostatnich latach wykazano obecność tej kinazy w cytoplazmie, dzięki czemu odkryto jej udział w regulacji procesów metabolicznych, homeostazy
mitochondrialnej, odpowiedzi na stres oksydacyjny i modulacji funkcji
synaps. Plejotropowe działanie kinazy ATM wymaga efektywnej kontroli,
sprawowanej między innymi przez białka posiadające specyficzne motywy wiążące kinazę ATM czyli białka ATMIN i NBS1. Regulacja ważnych
dla przeżycia komórki procesów kontrolowanych przez białko ATM może
w przyszłości okazać się atrakcyjnym celem strategii terapeutycznych zarówno chorób nowotworowych, jak i chorób neurodegeneracyjnych.
C
WPROWADZENIE
Pomimo zaawansowanego rozwoju medycyny nadal nieznane są skuteczne
metody leczenia chorób o podłożu neurodegeneracyjnym. Najczęściej występującymi schorzeniami tego typu są choroba Alzheimera (AD, ang. Alzheimer’s disease) oraz choroba Parkinsona (PD, ang. Parkinson’s disease). Za główny
czynnik ryzyka rozwoju tych patologii uważa się starzenie organizmu, które
w odpowiedniej konfiguracji z predyspozycjami genetycznymi i/lub czynnikami środowiskowymi prowadzą do ujawnienia się objawów chorobowych.
Etiopatogeneza większości chorób neurodegeneracyjnych, oprócz ich form
genetycznych, nie została wyjaśniona [1]. Na poziomie komórkowym procesom neurozwyrodnieniowym sprzyja stres oksydacyjny, dysfunkcja mitochondriów oraz nadmiar endogennego neuroprzekaźnika pobudzającego —
kwasu glutaminowego [2]. Układ nerwowy jest bardzo aktywny metabolicznie, o czym może świadczyć fakt, że około 20% wdychanego tlenu jest w nim
zużywana, a konsekwencją tego jest produkcja dużej ilości metabolitów, w
tym wolnych rodników, które mogą być szkodliwe dla komórek [3]. Wysokie
zapotrzebowanie energetyczne komórek nerwowych wymaga wydajnej pracy mitochondriów, a konieczność dostarczenia niezbędnych organelli i białek
do zakończeń neuronalnych (aksonów i dendrytów) wymusza ich wydajny
transport. Zdolność do sprawnego usuwania wolnych rodników jest szczególnie istotna dla neuronów dopaminergicznych, gdzie metabolizm i samoutlenianie dopaminy jest związane ze zwiększoną produkcją reaktywnych
form tlenu (ROS, ang. reactive oxygen species) [4]. Zwiększony poziom ROS w
neuronach sprzyja oksydacji lipidów, białek oraz DNA, co w konsekwencji
może prowadzić do dysfunkcji neuronów i w końcowym etapie do ich degeneracji [5]. Szczególnie niebezpieczna może być dla post-mitotycznych komórek nerwowych nadmierna akumulacja uszkodzeń DNA, która jest skutkiem podwyższonego stresu genotoksycznego wywołanego przez ROS oraz
zaburzonymi mechanizmami naprawy DNA, procesami obserwowanymi w
przebiegu wielu zależnych od wieku chorób neurodegeneracyjnych [6]. O
znaczeniu systemu naprawy DNA w komórkach nerwowych może świadczyć fakt, że inaktywacja kluczowych białek zaangażowanych w te procesy
prowadzi do neurodegeneracji [7]. Przykładem takiego schorzenia jest zespół
ataksja-teleangiektazja (A-T, ang. ataxia telangiectasia disease), nazywany również syndromem Louis-Bara lub syndromem Boder-Sedgwicka. Jest to rzadkie schorzenie genetyczne (jeden przypadek na 100 000 narodzin), spowodoPostępy Biochemii 60 (3) 2014
Jakub Chwastek*
Danuta Jantas
Władysław Lasoń
Zakład Neuroendokrynologii Doświadczanej, Instytut Farmakologii
PAN, Kraków
Zakład
Neuroendokrynologii
Doświadczanej, Instytut Farmakologii
PAN, ul. Smętna 12, 31-343 Kraków;
tel.: (12) 662 33 94, e-mail: chwastek@
if-pan.krakow.pl
*
Artykuł otrzymano 3 czerwca 2014 r.
Artykuł zaakceptowano 15 sierpnia
2014 r.
Słowa kluczowe: ATM, neurodegeneracja, neuroprotekcja, nowotwory
Wykaz skrótów: A-T — zespół ataksja-teleangiektazja; ATM — ang. ataxia
telangiectasia mutated; DSB — dwuniciowe uszkodzenia DNA; NBS — zespół
Nijmegen; ROS (ang. reactive oxygen
species) — reaktywne formy tlenu
313
wane mutacją genu ATM, powodującą utratę stabilności
kinazy ATM (ang. ataxia telangiectasia mutated), a w łagodniejszych wariantach niższy poziom białka lub obniżoną aktywność enzymu [8]. Podstawowymi objawami
tej choroby są zaburzenia koordynacji (ataksja móżdżkowa), poszerzone naczynia krwionośne (teleangiektazja)
w obrębie skóry i gałek ocznych, niedobory immunologiczne, bezpłodność, większa podatność na uszkodzenia
spowodowane promieniowaniem i wzrost ryzyka wystąpienia nowotworów. Zasadniczym elementem patomechanizmu tego schorzenia jest postępująca degeneracja
móżdżku, a w późniejszych etapach choroby mogą wystąpić również uszkodzenia innych obszarów mózgu [9].
W fibroblastach uzyskanych od pacjentów cierpiących
na A-T zaobserwowano między innymi nieprawidłową
odpowiedź na stres oksydacyjny, dysfunkcje mitochondriów, nieprawidłową budowę cytoszkieletu, niestabilność chromosomów oraz zwiększoną wrażliwość na
promieniowanie jonizujące. Dodatkowo u pacjentów A-T
występuje obniżony poziom antyoksydantów, takich jak
witaminy A i E [10].
W badaniach mechanizmów A-T często wykorzystywanym modelem zwierzęcym są myszy z usuniętym
genem ATM (knock-out genu ATM). Zwierzęta te charakteryzują się zwiększoną wrażliwością na promieniowanie jonizujące, spadkiem odporności i wzrostem
ryzyka wystąpienia nowotworów. Co ciekawe, nie obserwuje się u tych zwierząt neurodegeneracji móżdżku,
która jest zasadniczym elementem choroby w przebiegu
A-T u ludzi [11,12]. Dalsze badania wykazały u myszy
z usuniętym genem ATM upośledzenie funkcji szlaku
nigrostratialnego, postępującą z wiekiem degenerację
komórek dopaminergicznych oraz osłabienie funkcji synaptycznych komórek hipokampa [13]. Podobne deficyty zaobserwowano u starszych myszy z wyciszonym
genem kodującym kinazę ATM, u których stwierdzono
znaczny spadek liczby neuronów dopaminergicznych w
substancji czarnej [14]. Natomiast zwierzęta, u których
zaindukowano ekspresję genu kodującego nieaktywną
katalitycznie kinazę ATM, umierały we wczesnym okresie embrionalnym. Przyczyna tego zjawiska nie jest jasna.
Autorzy sugerują, że nieaktywna kinaza ATM wiąże się
z dwuniciowymi uszkodzeniami DNA (DSB, ang. double
strand break), co zapobiega aktywacji dalszych poziomów
przekazywania sygnału [15], natomiast brak białka ATM
może być kompensowany poprzez aktywację jego substratów przez inne białka należące do rodziny PIKK (ang.
phosphatidylinositol 3-kinase-related kinases) [15]. W mysim
modelu A-T stwierdzono również wczesne zaburzenia
w uwalnianiu insuliny z komórek β trzustki, a w efekcie
rozwój hiperglikemii [16].
Ostatnie lata zaowocowały licznymi doniesieniami na
temat nowych fizjologicznych funkcji kinazy ATM, odbiegających od jej roli w naprawie uszkodzeń DNA. Aktywność tej kinazy w cytoplazmie związana jest między
innymi z modulacją poziomu wolnych rodników, utrzymaniem prawidłowej funkcji mitochondriów, regulacją
insulinowego szlaku sygnałowego i indukcją procesów
autofagii [10]. Informacje dotyczące cytoplazmatycznych
funkcji kinazy ATM dają podstawy do rozważenia kinazy
314
ATM jako nowego celu terapeutycznego dla nieuleczalnych jak dotąd chorób, takich jak cukrzyca, choroby neurodegeneracyjne lub nowotwory. W niniejszym artykule
przedstawiono zarys obecnego stanu wiedzy na temat
kinazy ATM i innych białek towarzyszących, ze zwróceniem szczególnej uwagi na ich rolę w komórkach układu
nerwowego i ich potencjalnego użycia jako celu nowych
strategii neuroprotekcyjnych.
BUDOWA I FUNKCJE KINAZY ATM
Kinaza ATM jest dużym białkiem, składającym się z
3056 reszt aminokwasowych, o masie około 350 kDa i
należącym do rodziny PIKK. Gen ATM jest zlokalizowany na 11 chromosomie, obejmuje około 150 tysięcy par
zasad oraz składa się z 66 eksonów [11]. Białko posiada
trzy ważne domeny. Od końca aminowego jest to domena HEAT, umożliwiająca przyłączenie się do kinazy
ATM białek regulujących. Przy końcu karboksylowym
występuje domena FAT, stabilizująca białko oraz domena FATC, regulująca aktywacje kinazy [17]. Reszta cysteiny, która w łańcuchu kinazy ATM zajmuje pozycję 2991
odgrywa bardzo ważną rolę w aktywacji enzymu przez
stres oksydacyjny [18]. Co ciekawe, zaobserwowano, że
ta reszta aminokwasowa występuje w tej samej pozycji u
kręgowców lądowych, lecz nie u kręgowców morskich.
Na tej podstawie autorzy wysnuli hipotezę, że taka budowa kinazy ATM pomogła organizmom lepiej radzić sobie ze stresem oksydacyjnym, spowodowanym wzrostem
poziomu tlenu w nowo kolonizowanym środowisku [19].
Najlepiej poznaną funkcją kinazy ATM jest jej udział
w sygnalizacji i odpowiedzi na dwuniciowe uszkodzenie DNA (Ryc. 1). Forma nieaktywna składa się z dwóch
białek ATM (homodimer) połączonych niekowalencyjnie. Obecność DSB prowadzi do autofosforylacji (w pozycji S1981) i rozpadu struktury na dwa monomery [20].
Jednym z pierwszych substratów kinazy ATM jest histon
H2AX (ang. H2A histone family, member X), którego ufosfo-
Rycina 1. Schemat jądrowej sygnalizacji kinazy ATM w odpowiedzi na dwuniciowe uszkodzenia DNA. Inne wyjaśnienia w tekście pracy.
www.postepybiochemii.pl
rylowana forma (γH2AX) stanowi marker dwuniciowego
uszkodzenia DNA [21]. W miejscu występowania γH2AX
gromadzi się kompleks MRN, składający się z białek:
MRE11 (ang. meiotic recombination 11), Rad50 oraz NBS1
(ang. Nijmegen breakage syndrome protein 1). Pozwala on
na połączenie zerwanych końców DNA i stanowi czujnik
uszkodzeń. Oddziaływanie kinazy ATM z kompleksem
MRN, poprzez NBS1, prowadzi do jej dalszej aktywacji i
fosforylacji innych substratów. Są to między innymi takie
białka jak: p53, BRCA1 (ang. breast cancer type 1 susceptibility protein), Chk2 (ang. checkpoint kinase 2) i MDM2
(ang. mouse double minute 2), które biorą udział w kontroli cyklu komórkowego, naprawie DNA oraz programowanej śmierci komórki (apoptozie) [22]. Jądrowa rola
kinazy ATM wychodzi zdecydowanie poza jej udział w
procesach naprawy DNA. Jako przykład może posłużyć
aktywacja białka p53, którego aktywność może decydować o wyborze pomiędzy śmiercią a przeżyciem komórki
[23]. Jednym z białek wzmacniających aktywację p53 za
pośrednictwem kinazy ATM jest AMPK (ang. AMP-activated protein kinase). Aktywacja AMPK prowadzi również
do zahamowania szlaku mTOR (ang. mammalian target of
rapamycin) i w rezultacie do śmierci komórek na drodze
autofagii. AMPK odgrywa znaczącą rolę w regulacji metabolizmu komórki oraz progresji podziałów mitotycznych [24]. Leki wywołujące uszkodzenie DNA, takie jak
methotrexat, etopozyd lub homocysteina, powodują zależną od kinazy ATM apoptozę neuronów [25]. Ma to związek prawdopodobnie z próbami powrotu postmitotycznych neuronów do cyklu komórkowego, po zadziałaniu
czynników genotoksycznych. Naprawa DNA zachodzi
sprawniej w komórkach aktywnych mitotycznie. Jednak
próba powrotu do cyklu komórkowego w neuronach jest
zjawiskiem bardzo niekorzystnym, ze względu na postępujące nagromadzenie uszkodzeń i niestabilność DNA.
Dodatkowo podział mocno rozbudowanego cytoszkieletu komórek nerwowych jest znacznie utrudniony, co
w rezultacie prowadzi do wzrostu poziomu sygnałów
apoptotycznych i śmierci komórki [7]. Z drugiej strony
kinaza ATM poprzez fosforylację białka NEMO (ang.
NF-kappa-B essential modulator) aktywuje transkrypcję
czynnika NF-κB (ang. Nuclear factor kappa B), powodując
wzrost ekspresji genów antyapoptotycznych [26]. Dezaktywacja kinazy ATM polega na jego defosforylacji przy
udziale przynajmniej dwóch fosfataz: PP2A (ang. protein
phosphatase 2) oraz PP5 (ang. protein phosphatase 5) [27].
Komórki całkowicie pozbawione kinazy ATM są nadal w
stanie naprawiać DNA, jednak robią to znacznie wolniej.
Dlatego też, w celu wytłumaczenia różnorodności oraz
intensywności objawów chorobowych występujących w
zespole A-T brane są również pod uwagę pozajądrowe
funkcje kinazy ATM [13].
BIAŁKA REGULUJĄCE AKTYWNOŚĆ KINAZY ATM
Białko NBS1, jako składnik kompleksu MRN, reguluje proces naprawy dwuniciowych uszkodzeń DNA, lecz
nie stwierdzono jego aktywności enzymatycznej. Na
końcu aminowym znajduje się domena FHA oraz tandemowo ułożone dwie domeny BRCT, typowe dla białek
biorących udział w procesach naprawy DNA [28]. Są one
odpowiedzialne za oddziaływanie między innymi z hiPostępy Biochemii 60 (2) 2014
stonem γH2AX. Na końcu karboksylowym znajduje się
fragment odpowiedzialny za wiązanie białek, takich jak
kinaza ATM oraz MRE11. Dzięki swojej budowie, NBS1
w momencie wystąpienia dwuniciowego uszkodzenia
DNA łączy się z histonem γH2AX, a następnie oddziałuje z kinazą ATM. Prowadzi to do fosforylacji białek
niezbędnych do naprawy DSB, w tym samego NBS1 [29].
Mutacja genu kodującego NBS1 powoduje zespół Nijmegen, który objawia się niestabilnością chromosomową,
niedoborami odporności, podwyższoną wrażliwością na
promieniowanie jonizujące, predyspozycją do zapadania
na nowotwory oraz mikrocefalią (małogłowiem) [30].
Zmiany neurodegeneracyjne spowodowane tą mutacją
są głównie wadami rozwojowymi, co wskazuje na jego
ważną rolę w okresie prenatalnym. Może to być związane ze wzmożoną apoptozą spowodowaną nadmierną
fosforylacją białka p53 przez kinazę ATM oraz niestabilnością kompleksu MRN, przez co osłabieniu ulega proces blokady cyklu komórkowego na czas naprawy DSB,
a samo poprawianie błędów jest mniej efektywne [31].
Wzrost poziomu białka NBS1 zaobserwowano w komórkach nowotworowych, zwłaszcza w grupie nowotworów
szyi i głowy. Białko łączy się z katalityczną podjednostką kinazy PI3-K i w efekcie prowadzi do jej aktywacji,
co może być przyczyną wzmożonych podziałów komórek [32]. Ponadto fibroblasty ze skróconym genem Nbs1
kodującym nieaktywne białko, szybciej starzały się w
wyniku przyspieszonej degradacji telomerów [33]. Całkowite usunięcie genu Nbs1 prowadzi do śmierci myszy
w okresie embrionalnym, natomiast wyciszenie genu w
ośrodkowym układzie nerwowym skutkuje osłabionym
wzrostem zwierząt oraz wczesnym rozwojem katarakty.
Co więcej, w okresie postnatalnym zaobserwowano nieprawidłowy rozwój móżdżku, zahamowaną proliferację
neuronalnych komórek progenitorowych oraz mikrocefalię. Mechanizm powstawania tych dysfunkcji nie jest
poznany, jednak objawy te są podobne do ludzkiego syndromu Nijmegen [34].
Drugim białkiem regulującym funkcje kinazy ATM
jest ATMIN (ang. ATM interactor), zwane również ASCIZ
(ang. ATM/ATR-substrate CHK2-interacting zinc finger protein). Na końcu karboksylowym występuje homologiczny
fragment do białka NBS1, przez który białko ATMIN oddziałuje z kinazą ATM. Posiada również liczne motywy
SQ/TQ (reszty seryny lub treoniny przed resztą glutaminy), które są preferowanymi miejscami fosforylacji przez
kinazy należące do rodziny PIKK. Na końcu aminowym
ATMIN obecne są palce cynkowe, które umożliwiają bezpośrednie wiązanie nici DNA. Obecność domeny PEST,
będącej miejscem sygnałowym do proteolizy, świadczy
o krótkim okresie półtrwania tego białka [35]. Wykazano, że ATMIN oraz NBS1 współzawodniczą o wiązanie
kinazy ATM. Deficyt NBS1 w mysich fibroblastach powoduje zahamowanie proliferacji, któremu częściowo
zapobiega usunięcie białka ATMIN [36]. Wyniki badań
Kanu i współpracowników sugerują, że kinaza ATM oraz
ATMIN współdziałają, zwłaszcza jeżeli nie występują
uszkodzenia DNA. Warto też wspomnieć, że białka te nie
występują razem w kompleksach naprawczych, wywołanych promieniowaniem radiacyjnym. Ich oddziaływanie
zaobserwowano natomiast podczas stresu hipotoniczne-
315
Rycina 2. Pozajądrowe funkcje kinazy ATM z wyróżnieniem miejsca ich występowania w komórce. Inne wyjaśnienia w tekście pracy.
go oraz w wyniku działania chlorochiny [37]. Wykazano, że ATMIN tworzy kompleks z białkiem Rad51 przy
naprawie uszkodzeń DNA spowodowanych czynnikami
utleniającymi oraz metylującymi, nawet jeśli aktywność
kinazy ATM została zahamowana [38]. Należy tutaj dodać, że metylacja wywołana czynnikami chemicznymi
występuje w innych miejscach nukleotydów niż fizjologiczna (regulująca transkrypcję genów) i prowadzi do
destabilizacji DNA [39]. Myszy pozbawione białka ATMIN giną około 16 dnia ciąży i występują u nich poważne defekty, takie jak brak rozwoju płuc oraz brak czaszki
(przy jednoczesnym rozwoju mózgu) [40]. Zwierzęta z
zahamowaną ekspresją genu kodującego ATMIN w układzie nerwowym rodziły się i były w stanie funkcjonować,
jednak zaobserwowano u nich szereg nieprawidłowości,
takich jak mniejsze rozmiary ciała oraz skrócony czas
życia w porównaniu do zwierząt kontrolnych [3]. Analiza histologiczna mózgu mutantów wykazała znaczący
ubytek liczby neuronów dopaminergicznych w istocie
czarnej oraz korze nowej. Hodowle fibroblastów z za-
316
rodków, w których wywołano całkowite usunięcie genu
ATMIN były bardziej podatne na stres oksydacyjny oraz
związane z nim starzenie się komórek [3]. Pomiary ilości
białka ATMIN w różnych narządach myszy wykazały, że
jest go znacznie więcej w mózgu i móżdżku niż w innych
tkankach, co może popierać hipotezę o jego znaczeniu w
funkcjonowaniu ośrodkowego układu nerwowego [40].
Poważne defekty rozwojowe, powodujące obumieranie
płodów myszy pozbawionych białka ATMIN, świadczą
o jego roli w organizmach żywych. Jedną z niedawno
poznanych funkcji ATMIN jest aktywowanie transkrypcji mRNA kodującego białko DYNLL1 (ang. dynein, light
chain, LC8-type 1). Jest to małe, o sekwencji zachowanej
w ewolucji białko, znane jako składnik kompleksu motorycznego dyneiny. Odpowiada za łączenie różnych
białek z kompleksem transportującym te białka do właściwego miejsca w komórce, a także w transporcie mitochondriów do zakończeń aksonalnych [41,42]. Knock-down genu ATMIN w linii komórkowej wyprowadzonej
z kostniakomięsaka (ang. osteosarcoma) powoduje znawww.postepybiochemii.pl
czący spadek ekspresji genu Dynll1. Wykazano obecność
białka ATMIN w cytoplazmie oraz jego migrację do jądra
podczas stymulacji czynnikiem metylującym [41]. Śmiertelność myszy spowodowana usunięciem genu ATMIN
może mieć zatem związek z zaburzoną kontrolą ekspresji
genu kodującego białko DYNLL1.
KINAZA ATM W UKŁADZIE NERWOWYM
W komórkach eukariotycznych dwuniciowe uszkodzenia DNA są naprawiane na drodze homologicznej
rekombinacji (HR, ang. homologous recombination) oraz
przez łączenie niehomologicznych końców (NHEJ, ang.
non-homologous end joining). Mechanizmy te występują w
różnych fazach cyklu komórkowego i wykorzystują inne
zestawy enzymów [43]. HR używa chromatydy siostrzanej jako matrycy umożliwiającej odbudowanie uszkodzonego fragmentu, dlatego może zachodzić tylko w fazie
S oraz G2. Ten mechanizm naprawy dominuje podczas
rozwoju zarodkowego, kiedy komórki szybko się dzielą.
NHEJ modyfikuje końce DSB w taki sposób, że możliwa jest ich bezpośrednia ligacja. Czasem konieczne jest
usunięcie nienadających się do ligacji fragmentów DNA,
przez co powstają niewielkie odcinki homologiczne, które służą odbudowie niekompletnej nici. Dlatego mechanizm NHEJ może generować błędy, przez utratę niewielkich fragmentów informacji genetycznej. Ze względu na
terminalne zróżnicowanie neuronów, NHEJ jest dominującym sposobem naprawy dwuniciowych uszkodzeń w
mózgu [43]. Kinaza ATM oddziałuje z kompleksem MRN
podczas naprawy przez homologiczną rekombinację. W
mechanizmie NHEJ kinaza ATM katalizuje reakcję fosforylacji białek, takich jak DNA-PK (ang. DNA protein kinase) oraz 53BP1 (ang. p53-binding protein 1). Kinaza ATM
fosforyluje również białka uczestniczące w obu mechanizmach, takie jak histon H2AX, BRCA1 i białko p53 [8].
Jedna z hipotez występowania zespołu A-T zakłada, że
na skutek dysfunkcji kinazy ATM niedojrzałe neurony,
w których wystąpiły uszkodzenia DNA, nie są zdolne
do apoptozy, dlatego ulegają dalszemu różnicowaniu i
są lokowane w układzie nerwowym. Ich obumieranie w
następnych latach życia powoduje neurodegenerację, będącą podstawowym objawem zespołu A-T [22].
Dokładniejsze badania wykazały u osób cierpiących
na zespół A-T objawy, takie jak osłabienie długotrwałego wzmocnienia synaptycznego (LTP, ang. long term potentiation) w komórkach nerwowych, defekty w histonowym kodzie epigenetycznym, problemy z integralnością
mitochondriów oraz upośledzoną sygnalizację insulinową [44]. Tego typu deficyty sugerują, że kinaza ATM
ma znacznie szerszą rolę niż tylko udział w naprawie
uszkodzeń DNA. Obecność tego białka jest konieczna,
aby utrzymać równowagę pomiędzy cytoplazmatyczną i jądrową ilością deacetylazy histonowej 4 (HDAC4,
ang. histone deacetylase 4). ATM prawdopodobnie hamuje
aktywność fosfatazy PP2A, która defosforyluje HDAC4
(Ryc. 2). Brak kinazy ATM powoduje nagromadzenie
nieufosforylowanej formy HDAC4, która jest transportowana do jądra, co skutkuje zmianami w ekspresji genów.
Powyższy mechanizm może mieć związek z degeneracją
móżdżku u osób cierpiących na A-T [45]. Kinaza ATM
Postępy Biochemii 60 (3) 2014
bierze również udział w aktywacji czynnika transkrypcyjnego MEF2D (ang. myocyte enhancer factor 2D), którego
gen ulega ekspresji w neuronach. Udowodniono, że ten
czynnik wywiera wpływ na przeżywalność neuronów,
ich różnicowanie oraz plastyczność synaptyczną, dlatego powyższe działanie kinazy ATM sugeruje jej potencjał
neuroprotekcyjny [46].
Uzyskano przesłanki na udział kinazy ATM w chorobach neurodegeneracyjnych. Jedna z obserwacji dotyczy
wzrostu aktywności kinazy ATM i odpowiedzi na uszkodzenia DNA w komórkach kory mózgowej skorelowanych z postępem otępienia u pacjentów cierpiących na
AD. Zależność ta może być związana z aktywacją przez
komórkę szlaków mających na celu ograniczenie szkodliwego wpływu wolnych rodników oraz zapobieganie powrotom neuronów do fazy mitotycznej [47]. W modelu in
vitro choroby Parkinsona zauważono, że aktywacja białka
p53 zachodzi za pośrednictwem kinazy ATM, a w efekcie aktywowane zostaje proapoptotyczne białko Puma.
Udział kinazy ATM w aktywacji p53 został potwierdzony, przez zastosowanie jej inhibitora (kofeiny), a w efekcie odnotowano spadek poziomu ufosforylowanej formy
p53 [48]. W modelu in vitro choroby Parkinsona wykorzystującym MPP+ (ang. 1-methyl-4-phenylpyridinium),
zahamowanie funkcji kinazy ATM przy pomocy inhibitora KU55933 zmniejszało toksyczny efekt użytej substancji [50]. Autorzy sugerują, że zaobserwowane działanie
neuroprotekcyjne może być związane ze zmniejszeniem
aktywności białek proapoptotycznych, będących substratami kinazy ATM [49]. W linii komórkowej pochodzącej
z prążkowia, będącej modelem choroby Huntingtona wykazano obniżony poziom ufosforylowanej formy kinazy
ATM oraz białka BRCA1 w odpowiedzi na uszkodzenia
DNA, w porównaniu do kontroli. Zaburzenie aktywacji
tych białek prowadzi do osłabienia odpowiedzi komórkowej na uszkodzenia DNA, co może skutkować śmiercią
neuronów [50].
Pomiar cytoplazmatycznego poziomu kinazy ATM
ujawnił znaczącą ilość nieufosforylowanej (w pozycji
S1981) formy tego białka w komórkach pochodzenia neuronalnego, natomiast takiej zależności nie wykazano dla
komórek grasicy, śledziony [51] oraz fibroblastów [52].
Rozbieżność ta jest częściowo tłumaczona zaangażowaniem kinazy ATM w regulacji uwalniania neurotransmiterów w synapsach przez interakcję fizyczną z białkami,
takimi jak VAMP2 (ang. vesicle-associated membrane protein 2) oraz synapsyna-I (Ryc. 2). Kinaza ATM poprzez
oddziaływanie z tymi białkami bierze udział w dokowaniu pęcherzyków synaptycznych oraz uczestniczy w ich
uwalnianiu. Jednakże, wyciszenie genu kodującego kinazę ATM powoduje niewielkie zmiany synaptyczne co dowodzi, że jego rola polega raczej na modulowaniu funkcji
synaps niż na kontroli kluczowych procesów takich jak
przewodzenie sygnałów i uwalnianie pęcherzyków synaptycznych [51]. Zanotowano również obecność kinazy
ATM w pobliżu innych struktur pęcherzykowych, takich
jak lizosomy, peroksysomy i endosomy, jednak jej rola w
tych organellach nie została jeszcze wyjaśniona [53]. Różnice w wewnątrzkomórkowym rozmieszczeniu kinazy
ATM zaobserwowano w przypadku ludzkich komórek
317
nerwiaka zarodkowego (ang. neuroblastoma) SH-SY5Y,
będących modelowym układem komórkowym do badań
procesów neurotoksyczności i neuroprotekcji [54]. Różnicowanie tych komórek przy pomocy kwasu retinowego
pozwala na zahamowanie ich proliferacji oraz przybranie cech fenotypu neuronalnego (np. wydłużone neuryty,
synteza markerów neuronalnych) [55]. Wykazano, że poziom cytoplazmatycznej kinazy ATM znacznie wzrasta w
neuronalnie zróżnicowanych komórkach SH-SY5Y. Kinaza ta bierze udział w regulacji insulinowego szlaku sygnałowego PI3K/Akt, poprzez fosforylację białka 4E-BP1
(ang. 4E binding protein 1), odpowiedzialnego za regulację
translacji białek oraz pośredniczy w pełnej aktywacji białka Akt, co promuje przeżycie komórki (Ryc. 2) [56,57].
Wysoki poziom cytoplazmatycznej kinazy ATM mógłby
zatem tłumaczyć zwiększoną oporność komórek zróżnicowanych SH-SY5Y na działanie szeregu czynników toksycznych (np. staurosporyny, doksorubicyny, laktacystyny, MPP+, salsolinolu) [58-60]. Po podaniu insuliny do
komórek mięśniowych myszy kinaza ATM pośredniczyła
w fosforylacji białka Akt, co skutkowało wzrostem poziomu transportera GLUT4 (ang. glucose transporter type 4)
w błonie komórkowej. Transporter ten odpowiada za insulino-zależny pobór glukozy do komórki, a zaburzenia
jego działania prowadzą do oporności na insulinę oraz
nietolerancji glukozy [61].
Zasadniczym elementem cytoplazmatycznej funkcji
kinazy ATM jest jej udział w regulacji stresu oksydacyjnego, który jest przedmiotem intensywnych badań ostatnich lat [62]. Neurony w różnych regionach mózgu wykazują odmienną wrażliwość na stres oksydacyjny zależną
od stałego poziomu wolnych rodników w określonych
populacjach komórek oraz od ilości produkowanej przez
nie energii [5]. O ile w nadmiarze reaktywne formy tlenu (ROS) i azotu (RNS, ang. reactive nitrogen species) są
cytotoksyczne, to ich fizjologiczne ilości uczestniczą między innymi w regulacji proliferacji oraz obronie przed
patogenami [63]. Biorą one również udział w regulacji
szlaków sygnałowych takich jak MAPK (ang. mitogen-activated protein kinase) czy PI3-K [62]. W komórkach
nerwowych ROS wykorzystywane są do przekazywania
sygnałów regulujących plastyczność synaps. Natomiast
duże ilości wolnych rodników są czynnikiem uszkadzającym komórki nerwowe, na przykład w niedotlenieniu,
hipoglikemii i w chorobach neurodegeneracyjnych. W
wyniku nadmiernego stresu oksydacyjnego wewnątrz
komórki uszkodzeniu ulegają ważne makrocząsteczki,
takie jak białka, lipidy oraz DNA [5]. Kinaza ATM może
również działać jako czujnik potencjału oksydacyjno-redukcyjnego (Ryc. 2). Wolne rodniki działają bezpośrednio na to białko poprzez utlenienie reszt cysteiny, przez
co powstaje aktywny homodimer ATM, połączony kowalencyjnie mostkiem dwusiarczkowym. Proces ten zachodzi bez udziału dwuniciowych uszkodzeń DNA [19].
Zaobserwowano, że kinaza ATM aktywowana przez nadtlenek wodoru fosforyluje p53 oraz Chk2, ale nie H2AX
[64]. Białko p53 uczestniczy w regulacji wielu procesów
komórkowych, między innymi kontroli potencjału redoks (gospodarki pro- i antyoksydacyjnej), metabolizmu
i dynamiki mitochondrialnej oraz modulacji procesów
autofagii [65]. Zidentyfikowano również zależne od ATM
318
procesy metaboliczne, które ograniczają ilość wolnych
rodników. Jednym z nich jest cykl pentozofosforanowy,
który jest źródłem NADPH (ang. nicotinamide adenine dinucleotide phosphate) oraz pentoz. NADPH jest ważnym
kofaktorem dla enzymów biorących udział w usuwaniu
ROS, takich jak reduktaza cytochromu p450 oraz reduktaza glutationowa [66]. Udowodniono również, że kinaza
ATM pośrednio hamuje działanie białka mTORC1 (ang.
mTOR complex 1) w odpowiedzi na stres oksydacyjny
co powoduje obniżenie poziomu syntezy protein oraz
wzmaga procesy autofagii. Nie jest jednak jasne, czy proces ten prowadzi do przeżycia czy śmierci komórki [67].
Wykazano, że do aktywacji kinazy ATM przez stres oksydacyjny w komórkach o fenotypie neuronalnym konieczny jest receptor błonowy PDGFRB (ang. platelet-derived
growth factor receptor β), nie bierze on natomiast udziału w aktywacji kinazy ATM na skutek uszkodzeń DNA.
Opisano ponadto, że nadmierna stymulacja komórek
kwasem kainowym (agonista jonotropowych receptorów
glutaminianergicznych typu nie-NMDA) prowadzi do
wzrostu poziomu ufosforylowanej formy kinazy ATM w
cytoplazmie, co może wiązać się z jej ochronną rolą przed
stresem oksydacyjnym [68].
Kinaza ATM ulega również aktywacji niezależnej od
DSB w warunkach niedotlenienia. Jest ona wymagana do
stabilizacji i fosforylacji białka HIF-1α (ang. hypoxia-inducible factor 1-alpha), powodując zmiany w ekspresji genów
zależnych od tego czynnika. W komórkach z usuniętym
genem ATM zaobserwowano wzmożoną aktywność HIF1α nawet w warunkach normoksji. Efekt ten wywoływał
wzrost ekspresji genów zależnych od HIF-1α, takich jak
VEGF (ang. vascular endothelial growth factor) czy Glut1
(ang. glucose transporter type 1). Pierwszy z nich koduje
białko odpowiedzialne za rozwój sieci naczyń krwionośnych, co może skutkować rozwojem teleangiektazji (jeden z objawów zespołu A-T). Transporter glukozy typu 1
odpowiada za niezależny od insuliny pobór tego węglowodanu do komórek, a jego nadmiar może prowadzić do
oporności na insulinę [69].
Pozajądrowa rola kinazy ATM sprowadza się również
do jej udziału w prawidłowym funkcjonowaniu mitochondriów [10]. W móżdżkach myszy będących modelem zespołu A-T dochodzi do wzrostu poziomu specyficznej dla mitochondriów dysmutazy ponadtlenkowej
(MnSOD, ang. mitochondria-specific superoxide dismutase)
oraz wzmożonego oddychania mitochondrialnego [10].
Błędy w funkcjonowaniu tych organelli mogą powodować zwiększoną produkcję wolnych rodników, a co za
tym idzie podniesiony poziom stresu oksydacyjnego.
Dysfunkcja mitochondriów ma znaczenie w patomechanizmach nowotworów, cukrzycy czy chorób neurodegeneracyjnych, np. chorobie Azheimera, Parkinsona, Huntingtona, stwardnieniu zanikowym bocznym, a również
w niedokrwiennym udarze mózgu i urazach mechanicznych [70]. W komórkach z deficytem kinazy ATM zaobserwowano nieprawidłowe funkcjonowanie mitochondriów
(Ryc. 2). Stwierdzono w nich błędy w działaniu pierwszego kompleksu łańcucha transportu elektronów, co prowadzi do wzrostu poziomu ROS oraz spadku zawartości
ATP. Prawdopodobnie w celu kompensacji niskiej wydajwww.postepybiochemii.pl
ności produkcji energii komórki wykazywały wzmożony
pobór tlenu. Autorzy wyizolowali również tymocyty
myszy z deficytem genu ATM i zaobserwowali spadek
poziomu genu DJ-1. Białko DJ-1 jest zaangażowane w regulację homeostazy mitochondriów poprzez wpływ na
procesy mitofagii [50] oraz może odgrywać ważną rolę
w odpowiedzi na stres oksydacyjny [71]. Stwierdzono na
przykład obecność ufosforylowanej formy kinazy ATM
w mitochondriach hepatocytów, w warunkach stresu
oksydacyjnego, jednak jej funkcja nie została wyjaśniona
[72]. Inne badania donoszą, że w fibroblastach pozbawionych kinazy ATM spada integralność mitochondrialnego
DNA. Autorzy sugerują, że jest to spowodowane spadkiem poziomu ligazy 3, która jest jedyną ligazą działającą w mitochondriach. Prowadzi to do obniżonej efektywności mitochondriów i wzmożonej produkcji ROS
[73]. Innym interesującym, a mało poznanym działaniem
kinazy ATM może być jej udział w procesie biogenezy
mitochondriów. Jeden z substratów kinazy ATM, białko
HMGA1 (ang. high-mobility group protein HMG-I/HMG-Y),
ulega translokacji do mitochondriów. Wzrost poziomu
tego białka powoduje spadek masy mitochondriów i wydajności naprawy mitochondrialnego DNA, prowadzi
również do wzmożonej produkcji reaktywnych form tlenu [74]. Poznanie dokładnej roli kinazy ATM w regulacji
funkcji mitochondriów w komórkach nerwowych będzie
ważnym elementem w rozważaniu tej kinazy dla nowych
strategii neuroprotekcyjnych.
KINAZA ATM W KOMÓRKACH GLEJOWYCH
Jak do tej pory, niewiele jest danych dotyczących roli
kinazy ATM w komórkach glejowych. Wykazano, między
innymi, że astrocyty z wyciszonym genem ATM proliferują słabiej niż komórki kontrolne [75]. Badania przeprowadzone na muszkach owocowych (Drosophila melanogaster) wykazały, że aktywność tej kinazy w komórkach
glejowych jest istotna dla przeżycia neuronów [76]. Autorzy zaobserwowali, że zwierzęta z obniżoną ekspresją
genu ATM tylko w komórkach glejowych przypominały fenotypowo grupę ze zmniejszonym poziomem tego
genu w całym organizmie. Wykazywały one obniżoną
ruchliwość, przeżywalność oraz degenerację neuronów i
komórek glejowych. Zjawisko to jest tłumaczone z jednej strony zahamowaniem produkcji sygnałów ochronnych, a z drugiej wzmożonym uwalnianiem czynników
neurotoksycznych przez glej, takich jak reaktywne formy
tlenu lub TNF-α (ang. tumor necrosis factor-α). Dodatkowo u zwierząt z wyciszonym genem kodującym kinazę
ATM zauważono wzrost ekspresji genów odpowiedzialnych za nieswoistą odpowiedź immunologiczną, która
jest uważana za jeden z czynników neurodegeneracji. Nie
wiadomo jednak w jaki sposób kinaza ATM kontroluje
tę reakcję [76]. Zaobserwowano, że astrocyty wyizolowane ze zwierząt z wyciszonym genem ATM wykazują
podwyższony poziom stresu oksydacyjnego, co może
przyspieszać procesy neurodegeneracyjne [77]. Natomiast, w zwierzęcym modelu neurodegeneracji indukowanej kwasem 3-nitropropionowym zaobserwowano aktywację kinazy ATM oraz fosforylację p53 w komórkach
glejowych, ale nie w neuronalnych, jednakże znaczenie
tego zjawiska w procesach uszkodzenia zostało pominięPostępy Biochemii 60 (3) 2014
te przez autorów [78]. Wyjaśnienie roli kinazy ATM oraz
innych białek towarzyszących w komórkach glejowych
w chorobach neurodegeneracyjnych może przyczynić się
do opracowania leku neuroprotekcyjnego o pośrednim
mechanizmie działania.
KINAZA ATM W PROCESIE NOWOTWORZENIA
Istnieje wiele dowodów doświadczalnych oraz obserwacji klinicznych, że procesy neurodegeneracyjne wynikają często z zaburzeń mechanizmów wewnątrzomórkowych potrzebnych do przeżycia komórek, natomiast w
sytuacji nowotworzenia, mamy do czynienia z nadmierną aktywacją przekaźnictwa prożyciowego [79]. Oprócz
występowania neurodegeneracji, innym z objawów zespołu A-T jest wzrost zapadalności na nowotwory. Występują one u około 40% chorych, a zdecydowaną większość stanowią nowotwory układu immunologicznego
(takie jak chłoniak i białaczka). Jest to prawdopodobnie
spowodowane utratą zdolności naprawy dwuniciowych
pęknięć DNA, które są generowane podczas dojrzewania komórek odpornościowych [33]. Deficyt funkcji ATM
może również prowadzić do braku kontroli nad onkogenem c-Myc, w efekcie komórka szybko proliferuje, a
proces apoptozy jest zahamowany [80]. Podwyższone
ryzyko zachorowania na nowotwory, zwłaszcza piersi,
zanotowano u osób będących heterozygotami (jeden allel
prawidłowy, a drugi uszkodzony) względem genu ATM
[81]. Z drugiej strony kinaza ATM jest rozważana jako
cel mogący wspomóc terapię nowotworów, ponieważ enzym ten aktywuje szlak PI3K/Akt, który z kolei promuje
przeżycie i proliferację komórek. Ponadto wysoka aktywność kinazy ATM pozwala na efektywniejszą naprawę
uszkodzeń DNA, dlatego może wpływać na oporność
nowotworów na chemio- i radioterapię. Wzrost poziomu kinazy ATM odnotowano na przykład w komórkach
czerniaka i raka prostaty [82]. Dlatego też, zastosowanie
inhibitorów kinazy ATM pozwala zahamować wzrost
komórek nowotworowych [57]. Substancje te powodują
obniżenie poziomu białek koniecznych do przeprowadzenia cyklu komórkowego (takich jak cyklina D1), a w
efekcie zatrzymanie podziałów komórkowych w fazie
G1/S. Ten punkt kontrolny służy komórce między innymi do sprawdzenia jakości DNA. Jeżeli występują w
nim błędy to cykl komórkowy jest zatrzymany do momentu ich naprawienia [61]. Ewentualna terapia, łącząca
inhibitory kinazy ATM z lekami genotoksycznymi, może
pozwolić na poprawienie skuteczności leczenia nowotworów [83,84]. Jednak nie w każdym przypadku takie
działanie będzie korzystne, dlatego konieczne jest lepsze
scharakteryzowanie roli kinazy ATM w poszczególnych
typach nowotworów. Wytypowano kilka genów, które biorą udział zarówno w procesie kancerogenezy, jak
i neurodegeneracji. Poza wspomnianym w tym artykule
genem ATM, wytypowano również geny takie jak APP,
Parkina oraz PTEN (ang. phosphatase and tensin homolog).
Gen APP (ang. amyloid precursor protein) koduje potencjalny protoonkogen, natomiast w układzie nerwowym jest
zaangażowany w rozwój choroby Alzheimera [85]. Dwa
pozostałe geny (Parkina i PTEN) prawdopodobnie hamują rozwój nowotworów, a ich dysfunkcja w układzie
nerwowym prowadzi do degeneracji neuronów [79]. Do-
319
datkowym działaniem kinazy ATM może być jej udział w
patologicznej angiogenezie. Postuluje się, że kinaza ATM
w komórkach śródbłonka uczestniczy głównie w ochronie przed stresem oksydacyjnym. Wyciszenie syntezy
tego białka minimalizuje rozwój naczyń krwionośnych, a
według autorów jest to raczej spowodowane niszczycielskim wpływem wolnych rodników na komórki niż osłabieniem procesów naprawczych DNA [86].
PODSUMOWANIE
Podsumowując, najwcześniej i najlepiej poznaną funkcją kinazy ATM jest jej udział w procesach jądrowych.
Uczestniczy ona w utrzymaniu integralności DNA, lecz
jeśli uszkodzenia są zbyt poważne, kinaza ATM uczestniczy w przekazywaniu sygnału śmierci komórek, co z jednej strony może hamować proces nowotworzenia, ale z
drugiej strony może prowadzić do neurodegeneracji.
Oprócz badań nad dobrze poznaną rolą kinazy ATM w
naprawie jądrowego DNA coraz więcej uwagi poświęca
się funkcjom cytoplazmatycznym tego białka. W ostatnich
latach odkryto, że może ono pełnić rolę w kontrolowaniu
poziomu wolnych rodników, utrzymywaniu stabilności
mitochondriów, funkcjonowaniu synaps i w regulacji
insulinowego szlaku sygnałowego. Kinaza ta może więc
uczestniczyć w regulacji wielu funkcji życiowych na poziomie molekularnym. Interesujący wydaje się jej udział
w fizjologii i patologii komórek nerwowych. Zaburzenia
działania kinazy ATM mogą mieć miejsce u pacjentów
cierpiących na choroby neurodegeneracyjne, których
podłożem jest wzmożony stres oksydacyjny, zaburzenia
równowagi energetycznej lub transportu komórkowego.
Kompleksowe i plejotropowe działanie kinazy ATM wymaga wielopoziomowej kontroli, sprawowanej między
innymi przez białka posiadające specyficzne motywy
wiążące kinazę ATM, czyli białka ATMIN i NBS1. Nie
wszystkie mechanizmy działania kinazy ATM w komórkach zostały wytłumaczone, dlatego pozostaje ona nadal
interesującym tematem badawczym, szczególnie na polu
badań nad neurodegeneracją i neuroprotekcją.
PIŚMIENNICTWO
1. Nieoullon A (2011) Neurodegenerative diseases and neuroprotection:
current views and prospects. J Appl Biomed 9: 173–183
2. Kim K, Lee SG, Kegelman TP, Su ZZ, Das SK, Dash R, Fisher PB (2011)
Role of excitatory amino acid transporter-2 (EAAT2) and glutamate in
neurodegeneration: opportunities for developing novel therapeutics. J
Cell Physiol 226: 2484–2493
3. Kanu N, Penicud K, Hristova M, Wong B, Irvine E, Plattner F, Behrens
A (2010) The ATM cofactor ATMIN protects against oxidative stress
and accumulation of DNA damage in the aging brain. J Biol Chem
285: 38534–38542
4. Millecamps S, Julien JP (2013) Axonal transport deficits and neurodegenerative diseases. Nat Rev Neurosci 14: 161–176
5. Wang X, Michaelis EK (2010) Selective neuronal vulnerability to oxidative stress in the brain. Front Aging Neurosci 2: 1-13
6. Coppedè F, Migliore L (2010) DNA repair in premature aging disorders and neurodegeneration. Curr Aging Sci 3: 3–19
7. Marinoglou K (2012) The role of the DNA damage response kinase
ataxia telangiectasia mutated in neuroprotection. Yale J Biol Med 85:
469–480
8. McKinnon PJ (2004) ATM and ataxia telangiectasia. EMBO Reports 5:
772–776
320
9. McKinnon PJ (2012) ATM and the molecular pathogenesis of ataxia
telangiectasia. Ann Rev Pathol 7: 303–321
10.Ambrose M, Gatti RA (2013) Pathogenesis of ataxia-telangiectasia: the
next generation of ATM functions. Blood 121: 4036-4045
11.Barlow C, Hirotsune S, Paylor R, Liyanage M, Eckhaus M, Collins F,
Wynshaw-Boris A (1996) Atm-deficient mice: a paradigm of ataxia telangiectasia. Cell 86: 159–171
12.Lavin MF (2013) The appropriateness of the mouse model for ataxia-telangiectasia: neurological defects but no neurodegeneration. DNA
Repair 12: 612–619
13.Herrup K, Li J, Chen J (2013) The role of ATM and DNA damage in
neurons: upstream and downstream connections. DNA Repair 12:
600–604
14.Eilam R, Peter Y, Groner Y, Segal M (2003) Late degeneration of nigro-striatal neurons in ATM−/− mice. Neuroscience 121: 83–98
15.Yamamoto K, Wang Y, Jiang W, Liu X, Dubois RL, Lin CS, Zha S (2012)
Kinase-dead ATM protein causes genomic instability and early embryonic lethality in mice. J Cell Biol 198: 305–313
16.Miles PD, Treuner K, Latronica M, Olefsky JM, Barlow C (2007) Impaired insulin secretion in a mouse model of ataxia telangiectasia. Am J
Physiol Endocrinol Metab 293: 70–74
17.Iijima K, Muranaka C, Kobayashi J, Sakamoto S, Komatsu K, Matsuura
S, Tauchi H (2008) NBS1 regulates a novel apoptotic pathway through
Bax activation. DNA Repair 7: 1705–1716
18.Ditch S, Paull TT (2012) The ATM protein kinase and cellular redox
signaling: beyond the DNA damage response. TIBS 37: 15–22
19.Guo Z, Deshpande R, Paull TT (2010) ATM activation in the presence
of oxidative stress. Cell Cycle 9: 4805–4811
20.Bakkenist CJ, Kastan MB (2003) DNA damage activates ATM through
intermolecular autophosphorylation and dimer dissociation. Nature
421: 499–506
21.Burma S, Chen BP, Murphy M, Kurimasa A, Chen DJ (2001) ATM
phosphorylates histone H2AX in response to DNA double-strand breaks. J Biol Chem 276: 42462–42467
22.Lee Y, McKinnon PJ (2007) Responding to DNA double strand breaks
in the nervous system. Neuroscience 145: 1365–1374
23.Choi M, Shi J, Jung SH, Chen X, Cho KH (2012) Attractor landscape
analysis reveals feedback loops in the p53 network that control the cellular response to DNA damage. Science Signaling 5: ra83
24.Sanli T, Steinberg GR, Singh G, Tsakiridis T (2014) AMP-activated
protein kinase (AMPK) beyond metabolism: A novel genomic stress
sensor participating in the DNA damage response pathway. Cancer
Biol Ther 15: 156–169
25.Kruman II, Wersto RP, Cardozo-Pelaez F, Smilenov L, Chan SL, Chrest
FJ, Mattson MP (2004) Cell cycle activation linked to neuronal cell death initiated by DNA damage. Neuron 41: 549–561
26.McCool KW, Miyamoto S (2013) DNA damage-dependent NF-κB activation: NEMO turns nuclear signaling inside out. Immunol Rev 246:
311–326
27.Shiloh Y, Ziv Y (2013) The ATM protein kinase: regulating the cellular
response to genotoxic stress, and more. Nat Rev Molec Cell Biol 14:
197–210
28.Becker E, Meyer V, Madaoui H, Guerois R (2006) Detection of a tandem BRCT in Nbs1 and Xrs2 with functional implications in the DNA
damage response. Bioinformatics 22: 1289–1292
29.Rupnik A, Lowndes NF, Grenon M (2010) MRN and the race to the
break. Chromosoma 119: 115–135
30.Digweed M, Sperling K (2004) Nijmegen breakage syndrome: clinical manifestation of defective response to DNA double-strand breaks.
DNA Repair 3: 1207–1217
31.Prokopcova J, Kleibl Z, Banwell CM, Pohlreich P (2007) The role of
ATM in breast cancer development. Breast Cancer Research and Treatment 104: 121–128
32.Chen YC, Chiang HY, Yang MH, Chen PM, Chang SY, Teng SC, Wu
KJ (2008) Activation of phosphoinositide 3-kinase by the NBS1 DNA
repair protein through a novel activation motif. J Mol Med 86: 401–412
www.postepybiochemii.pl
33.Hou YY, Toh MT, Wang X (2012) NBS1 deficiency promotes genome
instability by affecting DNA damage signaling pathway and impairing telomere integrity. Cell Biochem Funct 30: 233–242
56.Boehrs JK, He J, Halaby MJ, Yang DQ (2007) Constitutive expression
and cytoplasmic compartmentalization of ATM protein in differentiated human neuron-like SH-SY5Y cells. J Neurochem 100: 337–345
34.Li R, Yang YG, Gao Y, Wang ZQ, Tong WM (2012) A distinct response
to endogenous DNA damage in the development of Nbs1-deficient
cortical neurons. Cell Res 22: 859–872
57.Li Y, Yang DQ (2010) The ATM inhibitor KU-55933 suppresses cell
proliferation and induces apoptosis by blocking Akt in cancer cells
with overactivated Akt. Mol Cancer Ther 9: 113–125
35.Kanu N, Behrens A (2008) ATMINistrating ATM signaling. Cell Cycle
22: 3483–3486
58.Jantas D, Greda A, Golda S, Korostynski M, Grygier B, Roman A, Lason W (2014) Neuroprotective effects of metabotropic glutamate receptor group II and III activators against MPP(+)-induced cell death
in human neuroblastoma SH-SY5Y cells: The impact of cell differentiation state. Neuropharmacology 83: 36–53
36.Zhang T, Penicud K, Bruhn C, Loizou JI, Kanu N, Wang ZQ, Behrens
A (2012) Competition between NBS1 and ATMIN Controls ATM Signaling Pathway Choice. Cell Rep 2: 1498–1504
37.Kanu N, Behrens A (2007) ATMIN defines an NBS1-independent pathway of ATM signaling. EMBO J 26: 2933–2941
38.McNees CJ, Conlan LA, Tenis N, Heierhorst J (2005) ASCIZ regulates
lesion-specific Rad51 focus formation and apoptosis after methylating
DNA damage. EMBO J 24: 2447–2457
39.Wyatt MD, Pittman DL (2008) Methylating agents and DNA repair
responses: Methylated bases and sources of strand breaks. Chem Res
Toxicol 19: 1580–1594
40.Jurado S, Smyth I, van Denderen B, Tenis N, Hammet A, Hewitt K,
Heierhorst J (2010) Dual functions of ASCIZ in the DNA base damage
response and pulmonary organogenesis. PLoS Genetics 6: e1001170
41.Rapali P, Szenes Á, Radnai L, Bakos A, Pál G, Nyitray L (2011)
DYNLL/LC8: a light chain subunit of the dynein motor complex and
beyond. FEBS J 278: 2980–2996
42.Chen YM, Gerwin C, Sheng ZH (2009) Dynein light chain LC8 regulates syntaphilin-mediated mitochondrial docking in axons. J Neurosci
29: 9429–38
43.Iyama T, Wilson DM (2013) DNA repair mechanisms in dividing and
non-dividing cells. DNA Repair 12: 620–636
44.Yang Y, Hui CW, Li J, Herrup K (2014) The interaction of the atm genotype with inflammation and oxidative stress. PloS One 9: e85863
45.Li J, Chen J, Ricupero CL, Hart RP, Schwartz MS, Kusnecov A, Herrup
K (2012) Nuclear accumulation of HDAC4 in ATM deficiency promotes neurodegeneration in ataxia-telangiectasia. Nat Med 18: 783–790
46.Chan SF, Sances S, Brill LM, Okamoto SI, Zaidi R, McKercher SR, Lipton SA (2014) ATM-dependent phosphorylation of MEF2D promotes
neuronal survival after DNA damage. J Neurosci 34: 4640–4653
47.Katsel P, Tan W, Fam P, Purohit DP, Haroutunian V (2013) Cycle
checkpoint abnormalities during dementia: a plausible association
with the loss of protection against oxidative stress in Alzheimer’s disease. PloS One 8: e68361
48.Nair VD (2006) Activation of p53 signaling initiates apoptotic death in
a cellular model of Parkinson’s disease. Apoptosis 11: 955-966
49.Camins A, Pizarro JG, Alvira D, Gutierrez-Cuesta J, de la Torre AV,
Folch J, Pallàs M (2010) Activation of ataxia telangiectasia muted under experimental models and human Parkinson’s disease. Cell Mol
Life Sci 67: 3865–3882
50.Jeon GS, Kim KY, Hwang YJ, Jung MK, An S, Ouchi M, Ryu H (2012)
Deregulation of BRCA1 leads to impaired spatiotemporal dynamics
of γ-H2AX and DNA damage responses in Huntington’s disease. Mol
Neurobiol 45: 550–563.
51.Li J, Han YR, Plummer MR, Herrup K (2009) Cytoplasmic ATM in
neurons modulates synaptic function. Curr Biol 19: 2091–2096
52.Valentin-Vega YA, Maclean KH, Tait-Mulder J, Milasta S, Steeves M,
Dorsey FC, Kastan MB (2012) Mitochondrial dysfunction in ataxia-telangiectasia. Blood 119: 1490–1500
53.Herrup K, Li J, Chen J (2013) The role of ATM and DNA damage in
neurons: upstream and downstream connections. DNA Repair 12:
600–604
54.Schlachetzki JCM, Saliba SW, de Oliveira ACP (2013) Studying neurodegenerative diseases in culture models. Revista Brasileira de Psiquiatria 35 (Suppl 2): 92–100
55.Xie H, Hu L, Li G (2010) SH-SY5Y human neuroblastoma cell line: in
vitro cell model of dopaminergic neurons in Parkinson’s disease. Chin
Med J 123: 1086–1092
Postępy Biochemii 60 (3) 2014
59.Jantas D, Roman A, Kuśmierczyk J, Lorenc-Koci E, Konieczny J, Lenda
T, Lasoń W (2013) The extent of neurodegeneration and neuroprotection in two chemical in vitro models related to parkinson’s disease is
critically dependent on cell culture conditions. Neurotox Res 24: 41–54
60.Jantas D, Pytel M, Mozrzymas JW, Leskiewicz M, Regulska M, Antkiewicz-Michaluk L, Lason W (2008) The attenuating effect of memantine on staurosporine-, salsolinol- and doxorubicin-induced apoptosis
in human neuroblastoma SH-SY5Y cells. Neurochem Int 52: 864–877
61.Yang DQ, Halaby MJ, Li Y, Hibma JC, Burn P (2011) Cytoplasmic ATM
protein kinase: an emerging therapeutic target for diabetes, cancer and
neuronal degeneration. Drug Discovery Today 16: 332–338
62.Ray PD, Huang BW, Tsuji Y (2012) Reactive oxygen species (ROS) homeostasis and redox regulation in cellular signaling. Cell Signal 24:
981–990
63.Bae YS, Oh H, Rhee SG, Yoo YD (2011) Regulation of reactive oxygen
species generation in cell signaling. Mol Cells 32: 491–509
64.Guo Z, Kozlov S, Lavin MF, Person MD, Paull TT (2010) ATM activation by oxidative stress. Science 330: 517–521
65.Wang DB, Kinoshita C, Kinoshita Y, Morrison RS (2014) P53 and mitochondrial function in neurons. Biochim Biophys Acta 1842: 1186–1197
66.Cosentino C, Grieco D, Costanzo V (2011) ATM activates the pentose
phosphate pathway promoting anti-oxidant defence and DNA repair.
EMBO J 30: 546–555
67.Alexander A, Cai SL, Kim J, Nanez A, Sahin M, MacLean KH, Walker
CL (2010) ATM signals to TSC2 in the cytoplasm to regulate mTORC1
in response to ROS. Proc Natl Acad Sci USA 107: 4153–4158
68.Kim TS, Kawaguchi M, Suzuki M, Jung CG, Asai K, Shibamoto Y, Miura Y (2010). The ZFHX3 (ATBF1) transcription factor induces PDGFRB, which activates ATM in the cytoplasm to protect cerebellar neurons from oxidative stress. Dis Model Mech 3: 752–762
69.Chen BP, Li M, Asaithamby A (2012) New insights into the roles of
ATM and DNA-PKcs in the cellular response to oxidative stress. Cancer Lett 327: 103–110
70.Greda A, Jantas D (2012) Dysfunkcje mitochondriów w chorobach
neurodegeneracyjnych: potencjalny punkt uchwytu dla leków neuroprotekcyjnych. Post Biol Kom 39: 321–344
71.Zhang L, Shimoji M, Thomas B, Moore DJ, Yu SW, Marupudi NI,
Dawson VL (2005) Mitochondrial localization of the Parkinson’s
disease related protein DJ-1: implications for pathogenesis. Human
Molec Gen 14: 2063–2073
72.Morita A, Tanimoto K, Murakami T, Morinaga T, Hosoi Y (2014) Mitochondria are required for ATM activation by extranuclear oxidative
stress in cultured human hepatoblastoma cell line Hep G2 cells. Biochem Biophys Res Commun 443: 1286–1290
73.Sharma NK, Lebedeva M, Thomas T, Kovalenko OA, Stumpf JD,
Shadel GS, Santos JH (2014) Intrinsic mitochondrial DNA repair defects in Ataxia Telangiectasia. DNA Repair 13: 22–31
74.Bhatti S, Kozlov S, Farooqi AA, Naqi A, Lavin M, Khanna KK (2011)
ATM protein kinase: the linchpin of cellular defenses to stress. Cell
Mol Life Sci 68: 2977–3006
75.Kim J, Wong PKY (2009) Oxidative stress is linked to ERK1/2-p16
signaling-mediated growth defect in ATM-deficient astrocytes. J Biol
Chem 284: 14396–14404
76.Petersen AJ, Rimkus SA, Wassarman DA (2012) ATM kinase inhibition
in glial cells activates the innate immune response and causes neurodegeneration in Drosophila. Proc Natl Acad Sci USA 109: 656–664
321
77.Liu N, Stoica G, Yan M, Scofield VL, Qiang W, Lynn WS, Wong PKY
(2005) ATM deficiency induces oxidative stress and endoplasmic reticulum stress in astrocytes. Laboratory investigation. J Tech Meth Pathol 85: 1471–1480
83.Hickson I, Zhao Y, Richardson CJ, Green SJ, Martin NMB, Orr AI,
Smith GCM (2004) Identification and characterization of a novel and
specific inhibitor of the Ataxia-Telangiectasia mutated kinase ATM.
Cancer Res 64: 9152–9159
78.Duran-Vilaregut J, Manich G, del Valle J, Camins A, Pallàs M, Vilaplana J, Pelegrí C (2012) Expression pattern of ataxia telangiectasia mutated (ATM), p53, Akt, and glycogen synthase kinase-3β in the striatum
of rats treated with 3-nitropropionic acid. J Neurosci Res 90: 1803–1813
84.Lin CS, Wang YC, Huang JL, Hung CC, Chen, JYF (2012) Autophagy
and reactive oxygen species modulate cytotoxicity induced by suppression of ATM kinase activity in head and neck cancer cells. Oral
Oncology 48: 1152–1158
79.Staropoli JF (2008) Tumorigenesis and neurodegeneration: two sides
of the same coin? BioEssays 30: 719–727
85.Mestizo Gutiérrez SL, Herrera Rivero M, Cruz Ramírez N, Hernández
E, Aranda-Abreu GE (2014) Decision trees for the analysis of genes
involved in Alzheimer’s disease pathology. J Ther Biol 357: 21–25
80.Stracker TH, Roig I, Knobel PA, Marjanović M (2013) The ATM signaling network in development and disease. Front Gen 4: 2–19
81.Lavin MF (2008) Ataxia-telangiectasia: from a rare disorder to a paradigm for cell signalling and cancer. Nat Rev Molec Cell Biol 9: 759–769
86.Okuno Y, Nakamura-Ishizu A, Otsu K, Suda T, Kubota Y (2012) Pathological neoangiogenesis depends on oxidative stress regulation by
ATM. Nature Medicine 18: 1208–1216
82.Cremona CA, Behrens A (2013) ATM signalling and cancer. Oncogene
33: 3351-3360
The role of ATM kinase in neurodegeneration
Jakub Chwastek*, Danuta Jantas, Władysław Lasoń
Department of Experimental Neuroendocrinology, Institute of Pharmacology, Polish Academy of Sciences, 12 Smetna St., 31-343 Krakow, Poland
*
e-mail: chwastek@if-pankrakowpl
Key words: ATM, neurodegeneration, neuroprotection, cancer
ABSTRACT
Neurodegenerative diseases represent a major challenge for modern medicine. Despite many years of research, no effective neuroprotective
therapy has been proposed. Ataxia telangiectasia (A-T) is rare disease, which is caused by a mutation of the ATM protein. Cerebellar degeneration is the main symptom of the A-T. The kinase ATM, inter alia is involved in the repair of DNA damage, cell cycle regulation and the
control of apoptosis. In recent years the presence of that kinase in the cytoplasm has been demonstrated. This led to the discovery of its participation in the regulation of metabolic processes, homeostasis mitochondrial oxidative stress response or modulation of synaptic function.
The pleiotropic effect of ATM kinase requires effective control exercised by, inter alia, proteins having specific binding motifs this kinase,
such as ATMIN and NBS1. The regulation of prosurvival processes which are controlled by ATM kinase, may prove an attractive therapeutic
strategy in treatment of neurodegenerative diseases.
322
www.postepybiochemii.pl