ATM信号通路新底物在DNA损伤反应中的功能

As the apical signal conducer during DNA damage response, the ATM kinase regulates multiple signaling networks including DNA repair, cell cycle arrest and apoptosis. Abnormalities of ATM as well as its downstream substrates play major roles in many human heretic diseases and cancer. Therefore, systematic study of ATM downstream substrates can contribute greatly to expanding our understanding of DNA damage response, as well as discovering new human disease genes. Traditional approaches have been used to identify a short list of ATM substrates to date, however such approaches have very limited use in identifying novel, functionally uncharacterized ATM substrates. Recent studies using Mass Spectrum and proteomic approaches have helped provided about 2000 potential ATM substrates. However lack of efficient methods to follow up these studies greatly hampered our understanding of ATM signaling pathways. In order to identify novel and important ATM substrates from these protemic studies, we will use a functional genetic approach to screen for those who play major roles in DNA damage response. Once such ATM substrates are identified, we will employ biochemistry, molecular and cell biology techniques to analyze their roles in DNA repair, cell cycle regulation and apoptosis. This study will bring better understanding of DNA damage response, as well as provide clues for identifying novel cancer genes and therapeutic targets.

作为DNA损伤反应的上游信号分子, ATM激酶参与DNA修复、细胞周期调控、细胞凋亡等多个信号网络的调控。ATM及其下游底物的异常与多种人类疾病包括癌症密切相关，因此，系统性地研究ATM底物对于拓展我们对于DNA损伤反应的理解，以及发现潜在人类致病基因具有重大的意义。目前通过传统生化研究方法确证的ATM底物数量有限，而且这类方法难以用来发现功能未知的ATM新底物。近来利用质谱和蛋白质组学的方法发现了近两千种ATM潜在底物，然而由于缺乏有效的后续分析手段，阻碍了对ATM信号通路的进一步研究。我们将通过功能遗传学的方法，从上述的ATM潜在底物中筛选出参与DNA损伤反应的重要基因，并通过生物化学、分子生物学和细胞生物学等方法进一步研究这些ATM新底物在DNA损伤后DNA修复、细胞周期调控和细胞凋亡等信号通路中的作用，从而加深我们对DNA损伤反应的理解，为发现新的癌症基因和抗癌靶点提供探索方向

ATM激酶是DNA损伤反应中的重要上游节点，它的底物如CHEK2，p53，PALB2，BRCA1等参与DNA损伤修复、细胞周期阻滞、细胞凋亡，而这些ATM底物是乳腺癌等肿瘤的重要抑癌基因，它们中的一些突变对于肿瘤的精准治疗也有明确的指导意义。对于ATM潜在底物的进一步研究，可能使我们扩大对于肿瘤发生发展的认识，并为肿瘤的精准治疗提供新的探索方向。本项目参照已发表的ATM激酶底物蛋白质组学数据库，通过功能筛选，发现了一些ATM激酶的潜在底物。在这些底物中，BAP1和UTX是在多种人类肿瘤种广泛突变的抑癌基因，在后续的研究中，我们着重探索了这两个抑癌基因所参与的信号通路，它们的异变如何促进肿瘤发生发展，以及它们的异变是否能够提供精准治疗的切入点。我们的研究表明，BAP1作为去泛素化酶，调控DNA甲基转移酶DNMT1的蛋白稳定性，BAP1失活的癌细胞因此对于DNMT1的抑制剂异常敏感；BAP1同时调节LKB1的去泛素化，并调控其对于AMPK的磷酸化，导致下游mTOR信号激活。这可能为BAP1作为抑癌基因的机理提供新的分子解释。运用淋巴瘤小鼠模型，我们发现UTX是一个逃逸X－染色体失活的抑癌基因，这一实验证据将有助于解释男性与女性之间不同的癌症发病率。我们进一步发现，UTX的失活不仅促进淋巴瘤的发生，而且导致其恶性化，淋巴瘤发生高频脑转移。UTX失活导致癌细胞对抗癌药物Cytarabine高度敏感，这可能为恶性淋巴瘤的治疗提供新的探索方向。此外，我们与长海医院合作，在ATM经典底物CHEK2上发现了一个新的突变位点，该位点仅见于中国人群，并且在早发性乳腺癌病例中高度富集。我们的研究表明，这一突变使得CHEK2功能失活，致使细胞无法有效应对DNA损伤，同时不能引发细胞凋亡。这将潜在地导致基因突变的积累，为这一位点的癌症易感性提供了解释。通过本项目的实施，我们对ATM的已知和新的底物的功能、信号转导、抑癌机理等方面产生了新的理解，取得了一些具有潜在临床意义的发现。