ATR-Struktur und -Funktion

ATR ist ein 300-kDa-Protein, das entsprechend seiner Funktion in eine ATRIP-Interaktionsdomäne, eine Kinase-Domäne sowie weitere Domänen unterteilt wird. Die N‑terminale ATRIP-Bindedomäne ist eine wesentliche Domäne für die Aktivierung von ATR, und die C‑terminale Kinase-Domäne ist entscheidend für die ATR‑vermittelte Phosphorylierung nachgeschalteter Proteine. ATR gehört zur Proteinfamilie der phosphatidylinositol-3‑Kinase‑verwandten Kinasen (PIKK) und besitzt die Fähigkeit, Serin- oder Threoninreste von Zielproteinen zu phosphorylieren. Es spielt eine wichtige Rolle bei Zellwachstum und -metabolismus, der Reparatur von DNA-Schäden sowie weiteren Prozessen. Die Sequenz seiner Kinase-Domäne ist der von Proteinen der Phosphatidylinositol-3‑Kinase-(PI3K)-Familie sehr ähnlich. ATR ist an einem breiteren Spektrum von DNA-Schadensreparaturmechanismen beteiligt als ATM und übernimmt eine Schlüsselrolle bei der Stabilisierung der DNA während der Replikation. ATR kann durch UV-Strahlung verursachte Schäden erkennen und nachgeschaltete Proteine wie p53, Chk1, Claspin u. a. phosphorylieren und dadurch die Nukleotid-Exzisionsreparatur, den Zellzyklus und die Apoptose regulieren.

ATR reguliert UV-induzierte Apoptose

Apoptose ist ein wichtiger Regulationsmechanismus zur Aufrechterhaltung des Mikromilieus des Organismus. Wenn eine Zelle geschädigt ist und nicht repariert werden kann, wird der Apoptoseprozess initiiert; die geschädigte Zelle geht in Apoptose über, um den Organismus zu schützen. Der Signalweg der UV-induzierten Apoptose lässt sich in p53-unabhängige und p53-abhängige Apoptose unterteilen. Für die p53-unabhängige Apoptose werden drei Mechanismen beschrieben: (1) UV-Strahlung induziert die Freisetzung oder Erhöhung von Todesliganden an der Zellmembran und verstärkt deren Bindung an Todesrezeptoren, wodurch Apoptose aktiviert wird; (2) UV-Strahlung führt direkt zur Aggregation von Todesrezeptoren an der Zellmembran, ohne dass Todesliganden erforderlich sind, und aktiviert so Apoptose; (3) UV-Strahlung bewirkt die Freisetzung von Cytochrom C aus den Mitochondrien und aktiviert den apoptotischen Signalweg. Die UV-induzierte Apoptose wird überwiegend über den p53-abhängigen Signalweg reguliert, der durch ATR gesteuert wird: Nach UV-Schädigung wird ATR aktiviert, p53 wird phosphoryliert, p53 dissoziiert von MDM2, und p53 wird durch Ubiquitinierung abgebaut. Wenn DNA-Schäden nicht repariert werden können, kann phosphoryliertes p53 Apaf1 aktivieren; Apaf1 spaltet Caspase‑9, und anschließend spaltet Caspase‑9 Caspase‑3 zur Aktivierung. Caspase‑3 wirkt als Effektorprotein der Apoptose; p53 kann zudem den durch mitochondriales Cytochrom C vermittelten apoptotischen Signalweg beeinflussen. Wissenschaftler fanden jedoch in humanen Keratinozyten, dass ATR die durch UV-Strahlung verursachte Apoptose über die Phosphorylierung von Chk1 reguliert und p53 daran nicht beteiligt ist. Dies deutet darauf hin, dass ATR durch Phosphorylierung von Chk1 oder p53 die Zellapoptose regulieren kann; der spezifische Mechanismus der ATR‑vermittelten Apoptoseregulation über Chk1 ist jedoch bislang nicht aufgeklärt und erfordert weitere Forschung.

Funktionen

ATR ist eine Serin/Threonin-spezifische Proteinkinase, die an der Erkennung von DNA-Schäden und der Aktivierung von DNA-Schadens-Checkpoints beteiligt ist, was zu einem Zellzyklusarrest führt. ATR wird als Antwort auf persistierende einzelsträngige DNA aktiviert, ein häufiges Zwischenprodukt, das bei der Erkennung und Reparatur von DNA-Schäden entsteht. Einzelsträngige DNA tritt an gestoppten Replikationsgabeln auf und dient als Intermediat in DNA-Reparaturwegen wie der Nukleotid-Exzisionsreparatur und der homologen Rekombinationsreparatur. ATR erkennt zusammen mit einem Chaperon-Protein namens ATRIP einzelsträngige DNA, die von RPA umhüllt ist. Sobald ATR aktiviert ist, phosphoryliert es Chk1 und initiiert dadurch eine Signaltransduktionskaskade, die schließlich zum Zellzyklusarrest führt. Zusätzlich zu seiner Funktion bei der Aktivierung von DNA-Schadens-Checkpoints wird ATR auch eine Rolle bei der störungsfreien DNA-Replikation zugeschrieben. ATR steht in Beziehung zu einer zweiten Checkpoint-aktivierten Kinase, ATM, die durch Doppelstrangbrüche oder Chromatin-Disruption infolge von DNA-Schädigung aktiviert wird.

Klinische Bedeutung

ATR-Mutationen sind die Ursache des Seckel-Syndroms, einer seltenen humanen Erkrankung, die bestimmte Merkmale mit der Ataxie-Telangiektasie aufweist, die durch ATM-Mutationen verursacht wird. ATR ist zudem mit familiärer kutaner Teleangiektasie und einem Krebsprädispositionssyndrom assoziiert. ATR/Chk1-Inhibitoren können die Wirkung von DNA-Crosslinking-Wirkstoffen verstärken. AstraZeneca hat die erste klinische Studie mit ATR-Inhibitoren initiiert, vorzugsweise bei Patienten mit ATM-mutierter chronischer lymphatischer Leukämie (CLL), Prolymphozytenleukämie (PLL) oder B‑Zell-Lymphom; zudem wurden ATR-Inhibitoren von Vertex Pharmaceuticals zur Behandlung fortgeschrittener solider Tumoren eingesetzt.

Referenz

1. Cimprich KA; et al. cDNA cloning and gene mapping of a candidate human cell cycle checkpoint protein. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 1996,93 (7): 2850-5.