ATM激酶活动的荧光探针

ATM(ataxia telangiectasia mutated) 激酶是细胞中一种重要的蛋白激酶，它可以被DNA损伤与应激压力刺激激活。过去三十多年的对其的研究主要集中在DNA损伤激活之后，其激活的信号通路、蛋白结构机制及它在DNA损伤修复中的作用，这些研究加深人们对DNA损伤修复的认识并有效地指导了ATM激酶抑制剂的设计与研发。ATM突变可导致毛细血管扩张性共济失调症；它与癌症易感具有极强的相关性，可做为癌症高发风险的标志物。尤其重要的是，在针对实体肿瘤的放射疗法/化学疗法中，阻断DNA损伤修复反应可极大的促进肿瘤细胞的死亡并改善预后，因此ATM抑制剂在放/化疗中是重要的“增强剂（sensitizer）， 人们投入了大量的资源寻找临床上可用的ATM抑制剂以改善肿瘤的放/化疗效果。

光学活体成像是现代生物学研究的重要手段。由于技术的限制，以往对ATM激酶活性的监测只能通过固定细胞样本的免疫组织荧光或细胞样本裂解后的蛋白印迹开展，对于活细胞中ATM激活在空间和时间上的特征无法触及。针对这个问题，近日，来自加州大学旧金山分校Xiaokun Shu团队 (第一作者：李小泉) 在Science Advances杂志上发表了题为：ATM-SPARK: A GFP phase separation–based activity reporter of ATM的文章。他们基于与以往激酶活性探针不同的原理，设计并开发了基于绿色荧光蛋白相分离的ATM激酶活性探针。通过整合从头设计的同源多价钛（homo-oligomeric tag， HOTag），ATM激酶底物磷酸化后与互作结构域FHA1的相互作用得以放大并以相分离的形式形成在光学显微镜下可观测的绿色荧光蛋白小球（GFP droplets），从而报告ATM的激活。

基于此荧光探针，研究人员首先对ATM激酶在诱发DNA损伤之后活性的动态特征。他们发现，在时间动态方面，ATM激酶的活动在DNA损伤之后会在30-40分钟内达到峰值并持续至1.5小时，之后ATM激酶的活性会下降，至7小时时恢复至本底水平。尤为有趣的是，对不同肿瘤细胞而言，其ATM响应相同DNA损伤刺激激活的时间动态特征与激活强度会有不同；而不同DNA损伤刺激在相同细胞上诱发的ATM激酶激活在时间动态特征与激活强度亦各有特点，提示在针对不同肿瘤细胞联合使用放/化疗和ATM激酶抑制剂时，需要有“个性化“的考虑。在空间动态特征方面，ATM的激活局限在53bp1或者BRCA1阳性的DNA修复热点（foci），在DNA修复完成之后，ATM的激活会与修复热点同步消散。更有趣的是，研究人员也观察到ATM的激活热点（foci）具有相分离的特性，提示相分离在ATM激活与活性维持中也有重要的贡献。

在另一方面，研究人员还利用了此探针信号强的特点,在活细胞中筛选了ATM激酶活性负调控因子和抑制剂的高通量筛选。他们发现了磷酸酶4（PP4）作为一个全新的ATM负调控因子和BGT226作为一个极强的ATM激酶抑制剂。从另一个角度验证了在活体观察ATM动态活动特征之外，该探针也可用于筛选ATM激酶的抑制剂，从而促进临床药物的研发。

http://doi.org/10.1126/sciadv.ade3760

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