中科大，南京农大发表文章 首次揭示ATM激酶精细三维结构

　　

　中国科学技术大学蔡刚课题组与南京农业大学王伟武课题组、中国科大刘海燕课题组合作，首次揭示了毛细血管扩张共济失调症突变蛋白——ATM激酶的精细三维结构，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，该研究成果发表于5月27日的《自然·通讯》上。论文第一作者为蔡刚课题组副研究员王雪娟。

　　ATM蛋白负责启动细胞对DNA双链断裂损伤的响应，是调控基因组稳定性的最核心激酶，能直接磷酸化细胞内超过1000个重要底物，包括p53蛋白、细胞周期调控蛋白等。解析ATM激酶的三维结构，并在此基础上理解ATM活性严谨调控的分子机制，不仅具有阐明基因组稳定性调控的重大科学意义，也将对肿瘤放射治疗的新型增敏剂的研发起到重要的指导作用。然而，ATM激酶包含近3000个氨基酸残基，而且必须要由无活性的同源二聚体解离成有活性的单体才能活化，其复杂的组成和活化过程给结构解析和分子机制研究带来了严峻挑战。

　　蔡刚课题组在2011年建立实验室之初就针对这个难题启动攻坚，经过大量系统尝试，克服了重重困难获得了高纯度、高均一度、有活性的ATM激酶，并顺利在中科院生物物理研究所生物成像中心完成高分辨率冷冻电镜（Cryo-EM）数据的收集，解析了分辨率8.7埃的ATM激酶的三维结构。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。尤其是ATM同源二聚体呈现出张开翅膀的蝴蝶构象，二聚体的相互作用界面清晰可辨；激酶活性区域位于蝴蝶的头部，分辨率相对较高，其原子结构模型得到构建，并显示出底物结合的位点。该研究揭示了ATM 激酶活性严谨调控的结构基础。

　　当前，肿瘤放疗对正常组织细胞的损伤仍极大限制了肿瘤放疗的应用，通过选择性增强肿瘤细胞对放疗的敏感性，能显著增强放疗清除肿瘤细胞的可能性。近年来，已有研究为ATM抑制剂作为肿瘤放疗增敏剂提供了基础。进一步提高ATM激酶结构的分辨率，捕捉ATM激酶活化的完整过程，尤其是无活性同源二聚体的相互作用界面的原子分辨率结构信息，将有希望直接指导新型ATM 抑制剂（将ATM 锁定在无活性的二体）的设计，为新型ATM 抑制剂作为肿瘤放疗增敏剂提供结构基础。

    上述研究工作得到了国家科技部、自然基金委优秀青年基金和教育部博士点基金的资助。

中国科大等首次揭示ATM激酶精细三维结构

原文摘要：

Structure of the intact ATM/Tel1 kinase.

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. Besides a conserved kinase domain at the C terminus, ATM contains three other structural modules, referred to as FAT, FATC and N-terminal helical solenoid. Here we report the first cryo-EM structure of ATM kinase, which is an intact homodimeric ATM/Tel1 from Schizosaccharomyces pombe. We show that two monomers directly contact head-to-head through the FAT and kinase domains. The tandem N-terminal helical solenoid tightly packs against the FAT and kinase domains. The structure suggests that ATM/Tel1 dimer interface and the consecutive HEAT repeats inhibit the binding of kinase substrates and regulators by steric hindrance. Our study provides a structural framework for understanding the mechanisms of ATM/Tel1 regulation as well as the development of new therapeutic agents.