Aberrant ATM signaling and homology-directed DNA repair as a vulnerability of p53-mutantGBM to AZD1390-mediated radiosensitization.

1. 논문 제목 : Aberrant ATM signaling and homology-directed DNA repair as a vulnerability of p53-mutant GBM to AZD1390-mediated radiosensitization.

   
   

2. 저자명 : Jiajia Chen, Daniel J. Laverty, Surabhi Talele, Ashwin Bale, Brett L. Carlson, Kendra A. Porath, Katrina K. Bakken, Danielle M. Burgenske, Paul A. Decker, Rachael A. Vaubel, Jeanette E. Eckel-Passow, Rohit Bhargava, Zhenkun Lou, Petra Hamerlik, Brendan Harley, William F. Elmquist, Zachary D. Nagel, Shiv K. Gupta, Jann N. Sarkaria.

   
   

3. Publish : Science Translational Medicine, February 2024

   
   

4. DOI : https://www.science.org/doi/10.1126/scitranslmed.adj5962 

   
   

5. Abstract : Glioblastoma (GBM) remains a highly aggressive brain tumor with poor prognosis despite radiotherapy, largely due to efficient DNA damage repair mechanisms. ATM (ataxia telangiectasia mutated) kinase is a central regulator of the DNA damage response following radiation-induced double-strand breaks. This study investigated the radiosensitizing effects of AZD1390, a brain-penetrant ATM inhibitor, and examined how TP53 mutation status influences therapeutic response. Using patient-derived xenografts and in vitro assays, we demonstrate that TP53-mutant GBMs exhibit elevated basal ATM signaling and increased reliance on homologous recombination (HR) for D NA repair. AZD1390 selectively suppressed HR by impairing RAD51 dynamics, leading to pronounced radiosensitization in TP53-mutant models, while TP53–wild-type tumors showed limited benefit. These findings identify aberrant ATM signaling and HR dependency as vulnerabilities in TP53-mutant GBM and support TP53 status as a predictive biomarker for ATM inhibitor–mediated radiosensitization.

   
   

6. 한글 초록 요약본 : 교모세포종(glioblastoma, GBM)은 방사선 치료에 대한 초기 반응에도 불구하고 재발률이 높아 예후가 매우 불량한 뇌종양임. 방사선은 DNA 이중 가닥 절단(double-strand break, DSB)을 유발하며, ATM(ataxia telangiectasia mutated) 신호전달은 이러한 DNA 손상 반응의 핵심 조절자임. 본 연구는 뇌 투과성이 우수한 ATM 억제제 AZD1390이 GBM에서 방사선 감작 효과를 나타내는 분자적 기전을 규명하고, TP53 돌연변이 상태에 따른 치료 반응 차이를 분석하고자 하였음. 연구 결과, TP53 돌연변이를 가진 GBM에서는 기저 ATM 신호와 상동재조합(homologous recombination, HR) 의존성이 증가되어 있으며, AZD1390은 HR을 선택적으로 억제함으로써 방사선 감작 효과를 유도함. 반면 TP53 야생형 GBM에서는 이러한 효과가 제한적이었음. 본 연구는 TP53 변이가 ATM 억제 기반 방사선 병용 치료의 중요한 취약점이자 예측 바이오마커가 될 수 있음을 제시함

   
   

7. Introduction : 교모세포종(glioblastoma, GBM)은 성인에서 가장 흔하고 치명적인 원발성 악성 뇌종양으로, 표준 치료인 수술적 절제 후 방사선 치료 및 테모졸로마이드 병용 요법에도 불구하고 장기 생존율이 극히 낮음. 방사선 치료는 종양 세포 내 DNA 이중 가닥 절단을 유도하여 세포 사멸을 유발하지만, 종양 세포의 DNA 손상 반응(DNA damage response, DDR) 활성화는 치료 저항성의 주요 원인으로 작용함. ATM은 DDR의 중심 조절자로서 세포 주기 정지, DNA 복구, 아폽토시스 유도를 매개하며, 이에 따라 ATM 억제는 방사선 감작 전략으로 주목받아 왔음.

   그러나 ATM 억제제의 치료 효과는 종양의 유전적 배경에 따라 상이하게 나타나며, 특히 TP53 상태가 방사선 반응과 DNA 복구 경로 선택에 중요한 역할을 하는 것으로 알려져 있음. p53은 방사선 조사 후 G1 정지를 유도하여 HR(homologous recombination)을 제한하는 반면, TP53 변이가 존재할 경우 세포는 HR에 더 의존적인 복구 전략을 활용하게 됨. 이러한 배경에서 본 연구는 뇌 투과성이 개선된 ATM 억제제 AZD1390을 활용하여, TP53 돌연변이 여부에 따른 방사선 감작 효과와 그 분자적 기전을 체계적으로 규명하고자 함.

   
   

8. Methods : 본 연구에서는 IDH1 야생형 GBM 환자 유래 이종이식 모델(PDX)과 인간 GBM 세포주(U251 등)를 이용하여 AZD1390의 방사선 감작 효과를 평가함. 세포 수준에서는 ATM 신호 억제 여부를 확인하기 위해 ATM, Chk2, KAP1 등의 인산화 수준을 면역블롯과 면역형광 분석으로 평가하였으며, γH2AX 및 53BP1 포커스 분석을 통해 DNA 손상 반응을 시각화하였다. 클로노제닉 분석과 neurosphere assay를 통해 방사선 및 약물 병용에 따른 생존율 변화를 정량화 함. 또한 HR(homologous recombination)과 NHEJ(nonhomologous end-joining) 효율은 플라스미드 기반 리포터 시스템을 활용하여 측정하였고, RAD51 포커스의 잔존 여부를 통해 HR 복구의 정체 여부를 평가함. In vivo에서는 정위적 뇌종양 마우스 모델을 구축한 후, 분할 방사선 조사(2 Gy ×5)와 AZD1390 경구 투여를 병행하여 생존 분석을 수행함. 더불어 정상 뇌 조직에서의 장기 방사선 독성을 평가하기 위해 고선량 방사선 조사 후 조직학적 및 FTIR 분석을 수행하였음. 또한, TCGA RNA-seq 데이터를 활용하여 TP53 변이에 따른 DNA 복구 유전자 발현 차이도 함께 분석함.

   
   

9. Results : AZD1390은 저나노몰 농도에서 ATM 및 하위 신호 분자인 Chk2, KAP1의 방사선 유도 인산화를 효과적으로 억제하였으며, 방사선 단독 처리 대비 세포 생존율을 유의하게 감소시켰음. 이러한 방사선 감작 효과는 TP53 돌연변이를 가진 GBM 모델에서 특히 두드러졌으며, TP53 야생형 모델에서는 제한적으로 관찰되었음. In vitro 및 In vivo 실험 모두에서 TP53 돌연변이 PDX 모델은 AZD1390/RT 병용 시 생존 기간이 유의하게 연장되었음. 또한, 기전적으로 TP53 돌연변이 GBM은 기저 ATM 신호 활성과 내인성 DNA 손상이 증가되어 있었으며, HR 관련 유전자 발현이 전반적으로 상승되어 있었음. AZD1390 처리 시 HR 효율은 선택적으로 감소하였고, RAD51 포커스가 장기간 잔존하여 HR 복구가 정체됨을 시사함. 반면 NHEJ에는 큰 영향을 미치지 않았음. 또한 p53 기능을 인위적으로 억제한 TP53 야생형 세포에서도 ATM 신호와 HR 활성이 증가하며 AZD1390에 대한 방사선 감작 효과가 새롭게 나타났음. 이러한 결과는 TP53 기능 상실이 ATM 억제 기반 방사선 감작의 핵심 취약점임을 명확히 보여줌.