DNA損傷反應與DNA的修複（二）
作為DDR（DNA損傷反應）的3個PIKK之一，DNA-PK在DDR中主要參與NHEJ過程。而另外兩個PIKK，ATM和ATR具有更多功能。
ATM和ATR是DDR途徑的主要換能器。Cold Spring Harb Perspect Biol. 2013ATM是毛細血管擴張性共濟失調症（AT）的突變蛋白，1995年被鑒定出來，并發現其C末端含有PI3K樣激酶結構域。AT是一種常染色體隐性遺傳病，患者同時還有免疫缺陷，易患惡性腫瘤。後來發現AT患者的細胞對放射線敏感，表明其突變基因與DNA修複相關。
在DDR中，ATM負責協調細胞對DSB（雙鍊斷裂）的應答，包括DNA修複、檢查點激活、凋亡、衰老以及染色質結構改變、轉錄和mRNA剪接等。它是一種頂端激酶，可以響應DNA損傷而使數百種底物磷酸化。MRN複合體、Tip 60、ATR、PP2A和Wip1都可以調節ATM的激活。激活的ATM可以催化CHK2，SMC-1，FANCD2，BRCA1以及H2AX的激活。
DNA受損後，乙酰基轉移酶TIP60 / KAT5可以識别帶有H3K9me3組蛋白标記的裸露核小體，從而被募集到受損的染色質，并被屏蔽去磷酸化而維持激活狀态。激活的TIP60可以通過乙酰化（FATC基序中的K3016）來激活ATM。
ATM對DSBR的調控。Mol Cell. 2017MRE11-RAD50-NBS1（MRN）複合物可以識别并結合DSB，然後募集并激活ATM。激活的ATM可以磷酸化CtIP（C-terminal-binding protein interacting protein），再與BRCA1（乳腺癌相關蛋白1）相互作用，形成BRCA1 / MRN / CtIP複合體，促進DNA末端切除，以形成單鍊DNA，從而促進HR（同源重組）修複。
另一方面，ATM也可以促進NHEJ（非同源末端連接）。ATM激活後可以将MDC1（mediator of DNA damage checkpoint protein 1）磷酸化，再募集E3泛素連接酶RNF168，後者将組蛋白H2A泛素化，從而與53BP1（p53結合蛋白1）結合。53BP1可以促進NHEJ并抑制HR。
DNA雙鍊斷裂是一種嚴重損傷，可引起缺失或染色體易位等突變。NHEJ和HR是DSB修複的兩種主要方式，細胞需要選擇針對特定情況的最佳修複途徑。NHEJ在G1/S/G2期都可以起作用，而HR僅在DNA複制後的S期和G2期才有活性。
在S和G2期的DSB修複中，NHEJ約占70％，HR約占30％。細胞對二者的選擇機制還有很多争議。現在一般認為53BP1和BRCA1是關鍵分子，在選擇中起着拮抗作用。
用于選擇DSB修複途徑的53BP1-BRCA1網絡。J Biol Chem. 2018 Jul 6;293(27):10502-10511.HR需要對DSB進行末端切除，以産生3'端ssDNA，然後才能募集重組酶RAD51，以姐妹染色單體作為模闆進行修複。所以DNA的末端切除是選擇哪條途徑的關鍵。Ku和53BP1對末端具有保護作用，所以會促進NHEJ；而BRCA1可以促進53BP1去磷酸化來減輕53BP1的切除障礙，并重新定位53BP1，從而促進HR。
5'-末端切除可以暴露出一些同源序列，使3'-單鍊DNA穩定退火，從而促進某些不同的修複方式。替代的末端連接（a-EJ）途徑利用ADP-核糖聚合酶和DNA Polθ等因子，需要2至20 bp的微觀同源性。單鍊退火（SSA）修複途徑需要 25 bp以上的同源性。
NHEJ與其它雙鍊斷裂修複。J Biol Chem. 2018 Jul 6; 293(27): 10512–10523.ATM的另一個關鍵底物是CHK2（檢查點激酶2），激活其可以通過多種蛋白質，包括p53和CDC25A的磷酸化，促進細胞周期停滞和細胞凋亡。CHK2的T68磷酸化經常被當作ATM激活的指标，雖然ATM并非其唯一激活途徑。
ATM通過CHK2調節細胞狀态。Eur J Pharmacol. 2009有研究表明，除DSB外，氧化應激也可以激活ATM。此時ATM在Ser-1981磷酸化，從而導緻p53和AMP活化的蛋白激酶-α（AMPKα）的磷酸化，調節細胞基因表達和能量代謝。
參考文獻：
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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