Znaczenie kinazy ATM w procesach neurodegeneracyjnych
Transkrypt
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