ATM激酶活性调控的结构基础

The ataxia-telangiectasia mutated (ATM) protein is an apical kinase that orchestrates the multifaceted DNA-damage response. Normally, ATM kinase is in an inactive, homodimer form and is transformed into monomers upon activation. Due to its pivotal roles in the regulation of genomic integrity, ATM has been a potentially viable therapeutic target. Unfortunately, there is still no high resolution ATM has been reported, which not only limits the understanding the mechanisms of ATM regulation, but also hinder the development specific kinase inhibitors.We have determined the first cryo-EM structure of ATM kinase (8.7 Å, Nat Commun 2016). Not only have we delineated the interface of ATM inactive homodimer, but also the detailed domain architecture. Moreover, we have determined the preliminary structure of active ATM monomer, assembled the ATM-telomere DNA-Protein X assembly and characterized the modulation of ATM conformations by inhibitors of CGK733 and KU-55933. We are going to substantially improve the resolutions of the cryo-EM reconstructions of ATM kinases in such different functional states, which shall not only provide a structural framework for understanding the mechanisms of ATM regulation but also facilitate the development of new therapeutic agents to lock the ATM kinase into the inactive dimeric state.

ATM激酶负责启动细胞内的DNA双链断裂损伤的细胞应答，在基因组稳定性中扮演关键角色，其激酶抑制剂已成为研究放射增敏和肿瘤治疗的新靶点。 然而，ATM激酶的高分辨率三维结构仍是空白，极大限制了对其功能机制的认识和高效抑制剂的研发。我们已解析了ATM激酶8.7埃分辨率(Nat Commun 2016)的冷冻电镜结构，该结构是ATM第一个冷冻电镜结构，揭示了ATM激酶的各个结构域及其之间的相互作用，为理解ATM激酶活性严谨调控的分子机制以及研发新型肿瘤放疗的增敏剂提供了重要线索。此外，我们近期获得了ATM活化单体状态的初步三维结构、分析了在端粒DNA和端粒结合蛋白X能诱导ATM从无活性的二体向有活性单体的转变，以及抑制剂（CGK733和KU-55933）对ATM激酶构象调节;我们计划提高ATM结构分辨率至3.5埃以上，进一步提高不同功能状态的ATM激酶结构的分辨率,为阐释ATM激酶活性严谨调控的分子机制和新型激酶抑制剂的设计奠定结构基础。

本项目原计划解析ATM活化过程的各个功能状态的高分辨率结构，为阐释ATM激酶活性严谨调控的分子机制和新型激酶抑制剂的设计奠定结构基础。我们通过解析了ATM激酶多种不同功能状态的高分辨率结构，清晰描绘了ATM激活过程的多个阶段，鉴定了ATM激酶底物募集和结合通道，并发现多种关键翻译后修饰和活化突变位点集中分布在这个通道上，揭示了ATM招募和筛选底物的机制。此外，发现ATM和ATR激酶活性中心的底物结合口袋具有高度保守的结构特征：PRD通过与活化环的直接相互作用锚定活化环、封堵底物结合口袋。ATM催化所必需的活化环的运动严格依赖PRD以及底物结合和输送通道的协同变化。本研究揭示了ATM激酶变构调节的网络，对于底物识别、招募和催化磷酸化具有重要意义(Cell Research，2019，封面故事)。在寻找高效的ATM激酶抑制剂方面的工作，德国马普所的K. P. Hopfner教授在NSMB新近发表了人源ATM及其与多种抑制剂复合物的高分辨率冷冻电镜结构（2.8~3.0埃），考虑到竞争实验室在ATM一系列肿瘤易感突变的结构和功能研究，以及新型ATM抑制剂的研制（他们一直在与药企直接合作），我们决定将原定的解析ATM新型抑制剂的计划调整为解析ATM激酶在RNA病毒复制扩增分子机制的方向上。此外，我们还系统研究了Dpb11/TopBP1-Mec1/ATR的激活蛋白激活ATR的机制。内源性纯化得到的Dpb11可以有效地激活Mec1的活性，促进构象分布的变化，提示Dpb11可能通过调节激酶构象激活Mec1激酶（Biochemical and Biophysical Research Communications，2019）。我们解析的ATR激酶的首个高分辨率冷冻电镜结构，发现并命名几个关键调控结构域、阐明其作用机理，揭示了ATR激酶活性严谨调控的分子机制（Science，2017）。这些工作对不仅有助于DNA损伤应答关键激酶活性严谨调控的分子机制的深入认识，并有可能为新型肿瘤治疗药物的开发、改造奠定理论基础。