DNA损伤反应与DNA的修复（二）
作为DDR（DNA损伤反应）的3个PIKK之一，DNA-PK在DDR中主要参与NHEJ过程。而另外两个PIKK，ATM和ATR具有更多功能。
ATM和ATR是DDR途径的主要换能器。Cold Spring Harb Perspect Biol. 2013ATM是毛细血管扩张性共济失调症（AT）的突变蛋白，1995年被鉴定出来，并发现其C末端含有PI3K样激酶结构域。AT是一种常染色体隐性遗传病，患者同时还有免疫缺陷，易患恶性肿瘤。后来发现AT患者的细胞对放射线敏感，表明其突变基因与DNA修复相关。
在DDR中，ATM负责协调细胞对DSB（双链断裂）的应答，包括DNA修复、检查点激活、凋亡、衰老以及染色质结构改变、转录和mRNA剪接等。它是一种顶端激酶，可以响应DNA损伤而使数百种底物磷酸化。MRN复合体、Tip 60、ATR、PP2A和Wip1都可以调节ATM的激活。激活的ATM可以催化CHK2，SMC-1，FANCD2，BRCA1以及H2AX的激活。
DNA受损后，乙酰基转移酶TIP60 / KAT5可以识别带有H3K9me3组蛋白标记的裸露核小体，从而被募集到受损的染色质，并被屏蔽去磷酸化而维持激活状态。激活的TIP60可以通过乙酰化（FATC基序中的K3016）来激活ATM。
ATM对DSBR的调控。Mol Cell. 2017MRE11-RAD50-NBS1（MRN）复合物可以识别并结合DSB，然后募集并激活ATM。激活的ATM可以磷酸化CtIP（C-terminal-binding protein interacting protein），再与BRCA1（乳腺癌相关蛋白1）相互作用，形成BRCA1 / MRN / CtIP复合体，促进DNA末端切除，以形成单链DNA，从而促进HR（同源重组）修复。
另一方面，ATM也可以促进NHEJ（非同源末端连接）。ATM激活后可以将MDC1（mediator of DNA damage checkpoint protein 1）磷酸化，再募集E3泛素连接酶RNF168，后者将组蛋白H2A泛素化，从而与53BP1（p53结合蛋白1）结合。53BP1可以促进NHEJ并抑制HR。
DNA双链断裂是一种严重损伤，可引起缺失或染色体易位等突变。NHEJ和HR是DSB修复的两种主要方式，细胞需要选择针对特定情况的最佳修复途径。NHEJ在G1/S/G2期都可以起作用，而HR仅在DNA复制后的S期和G2期才有活性。
在S和G2期的DSB修复中，NHEJ约占70％，HR约占30％。细胞对二者的选择机制还有很多争议。现在一般认为53BP1和BRCA1是关键分子，在选择中起着拮抗作用。
用于选择DSB修复途径的53BP1-BRCA1网络。J Biol Chem. 2018 Jul 6;293(27):10502-10511.HR需要对DSB进行末端切除，以产生3'端ssDNA，然后才能募集重组酶RAD51，以姐妹染色单体作为模板进行修复。所以DNA的末端切除是选择哪条途径的关键。Ku和53BP1对末端具有保护作用，所以会促进NHEJ；而BRCA1可以促进53BP1去磷酸化来减轻53BP1的切除障碍，并重新定位53BP1，从而促进HR。
5'-末端切除可以暴露出一些同源序列，使3'-单链DNA稳定退火，从而促进某些不同的修复方式。替代的末端连接（a-EJ）途径利用ADP-核糖聚合酶和DNA Polθ等因子，需要2至20 bp的微观同源性。单链退火（SSA）修复途径需要 25 bp以上的同源性。
NHEJ与其它双链断裂修复。J Biol Chem. 2018 Jul 6; 293(27): 10512–10523.ATM的另一个关键底物是CHK2（检查点激酶2），激活其可以通过多种蛋白质，包括p53和CDC25A的磷酸化，促进细胞周期停滞和细胞凋亡。CHK2的T68磷酸化经常被当作ATM激活的指标，虽然ATM并非其唯一激活途径。
ATM通过CHK2调节细胞状态。Eur J Pharmacol. 2009有研究表明，除DSB外，氧化应激也可以激活ATM。此时ATM在Ser-1981磷酸化，从而导致p53和AMP活化的蛋白激酶-α（AMPKα）的磷酸化，调节细胞基因表达和能量代谢。
参考文献：
Alexandre Maréchal, et al. DNA damage sensing by the ATM and ATR kinases. Cold Spring Harb Perspect Biol. 2013 Sep 1;5(9):a012716.
Andrew N Blackford, et al. ATM, ATR, and DNA-PK: The Trinity at the Heart of the DNA Damage Response. Mol Cell. 2017 Jun 15;66(6):801-817.
Joonyoung Her, et al. How cells ensure correct repair of DNA double-strand breaks. J Biol Chem. 2018 Jul 6;293(27):10502-10511.
Nicholas R Pannunzio, et al. Nonhomologous DNA end-joining for repair of DNA double-strand breaks. J Biol Chem. 2018 Jul 6;293(27):10512-10523.
Zbigniew Darzynkiewicz, et al. Impaired DNA damage response--an Achilles' heel sensitizing cancer to chemotherapy and radiotherapy. Eur J Pharmacol. 2009 Dec 25;625(1-3):143-50.
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