金 晶，王雅薇，張瓊月，葉 蕾

（1.杭州師范大學(xué)體育學(xué)院，浙江 杭州 310000；2.浙江農(nóng)林大學(xué)動(dòng)物科技學(xué)院，浙江 杭州 311300；3.浙江農(nóng)林大學(xué)經(jīng)管學(xué)院，浙江 杭州 311300；4.杭州師范大學(xué)數(shù)學(xué)學(xué)院，浙江 杭州 310000）

物質(zhì)資源和醫(yī)療水平的飛躍式發(fā)展后“人口老齡化”的進(jìn)程在全世界不斷推進(jìn)，尤其是擁有龐大人口的中國(guó)，我國(guó)人口年齡結(jié)構(gòu)已經(jīng)出現(xiàn)“反差式”的轉(zhuǎn)變［1］。 伴隨著年齡遞增，骨骼肌衰減癥也隨之發(fā)生，引起老年人起坐困難、日?；顒?dòng)受限、運(yùn)動(dòng)能力減弱，甚至摔倒的風(fēng)險(xiǎn)，嚴(yán)重困擾老年人自理能力和生活質(zhì)量。 衰老內(nèi)在機(jī)制和抗衰老方法的探究已有一代又一代的科學(xué)工作者持續(xù)研究熱點(diǎn)， 因此骨骼肌衰減癥（Sarcopenia）相關(guān)研究受到專家、學(xué)者的青睞［2-3］。

ATM 小鼠模型作為衰老的模型已有廣泛研究［4-5］，由于其生長(zhǎng)停滯、骨骼肌萎縮等骨骼肌退行性變化的表征［6-7］，可區(qū)別于其他的衰老動(dòng)物模型。 因此本文擬通過(guò)對(duì)比ATM 蛋白缺失與骨骼肌衰減癥的診斷依據(jù)、 老年疾病與內(nèi)在發(fā)病機(jī)制等方面，探索ATM 動(dòng)物模型作為骨骼肌衰減癥模型的可能性。

圖1 中國(guó)人口年齡結(jié)構(gòu)的預(yù)測(cè)［1］

1 骨骼肌衰減癥診斷共識(shí)指標(biāo)比較

與骨質(zhì)疏松病癥的經(jīng)歷相類似， 骨骼肌衰減癥的發(fā)展同樣經(jīng)過(guò)了“從無(wú)到有”的過(guò)程，從最開(kāi)始的“表征”的提出，到之后的“病癥”的確立。 歐盟骨骼肌衰減癥工作小組在2010 年建立了評(píng)估指標(biāo)，分別從肌肉質(zhì)量、力量和身體活動(dòng)能力3 個(gè)方面進(jìn)行細(xì)化和深化［8］。亞洲關(guān)于這方面的研究稍晚，于2013 年成立骨骼肌衰減工作組， 也采用了與歐盟雷同的策略， 并在2014 年發(fā)表了亞洲肌少癥診斷共識(shí)也包括肌肉質(zhì)量、 肌肉力量和肌肉功能3 個(gè)方面［9］，因此本文也從這3 個(gè)方面進(jìn)行比較和討論。

1.1 Sarcopenia 與AT 病人

1.1.1 骨骼肌質(zhì)量與肌力

世界范圍內(nèi)“老齡化問(wèn)題”日益突出，Sarcopenia 已成為高發(fā)態(tài)勢(shì)。 有2 項(xiàng)獨(dú)立對(duì)不同人群進(jìn)行統(tǒng)計(jì)研究表明：人體骨骼肌質(zhì)量在20～90 歲之間大約下降了50%，骨骼肌力量在30 歲時(shí)達(dá)到峰值， 并且達(dá)到40 歲以后骨骼肌質(zhì)量下降8%/10 年，70 歲以后大約下降15%/10 年［10］；0～75 歲的165 位受試者的研究顯示，骨骼肌質(zhì)量隨年齡增加而減少，尤其是II 型肌纖維質(zhì)量和數(shù)量［11］。 與正常同齡對(duì)照組相比，AT 患者的體型矮小，生長(zhǎng)停滯，身高、體重及BMI 值顯著偏低：Ruiz-Botero 報(bào)告的14 歲女孩身高僅為1.38 m、體重27 kg［12］；以色列國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的52 名病人［13］、澳大利亞研究團(tuán)隊(duì)對(duì)25 名患者［14］以及英國(guó)70 人［15］的研究都發(fā)現(xiàn)體重下降現(xiàn)象，有研究報(bào)告對(duì)AT 病人的尸檢發(fā)現(xiàn)患者的骨骼肌呈現(xiàn)不同程度的萎縮［16］。 通過(guò)體成分的顯示，衰老會(huì)導(dǎo)致骨骼肌II 型肌纖維下降，而脂質(zhì)（脂肪）增多［17］和I 型肌纖維無(wú)變化［18］，認(rèn)為AT 病人的組織中脂類和脂肪組織并未改變， 而體重下降的主要原因是由于骨骼肌質(zhì)量的下降［14］，因此提示衰老和AT 病人都出現(xiàn)骨骼肌質(zhì)量下降現(xiàn)狀。

骨骼肌的力量伴隨著增齡性的改變， 肌肉力量隨年齡逐年下降。AT 病人的力量測(cè)試研究包括呼吸肌測(cè)定［19］和握力測(cè)試［14］，均顯示顯著低于正常對(duì)照組，表明ATM 蛋白缺失將影響個(gè)體的骨骼肌力。

1.1.2 運(yùn)動(dòng)能力/身體活動(dòng)能力

衰老引起骨骼肌質(zhì)量和肌力的不斷下降，隨之產(chǎn)生骨骼肌衰減癥高發(fā)， 持續(xù)加劇的肌力下降將破壞現(xiàn)有的生活方式，更為嚴(yán)重的將致使增加骨骼肌的損傷幾率甚至發(fā)生跌倒概率［3］，嚴(yán)重影響老年人的自理能力［2］。 Snijders［17］研究團(tuán)隊(duì)分析青年組和老年組的生理指標(biāo)，BMI 老年組顯著高于青年組，但是腿部骨骼肌質(zhì)量卻顯著偏低， 而且最大腿部伸展和收縮力量均顯著低于青年組，亦說(shuō)明衰老導(dǎo)致骨骼肌質(zhì)量下降，降低機(jī)體的運(yùn)動(dòng)能力。 AT 病人從2～3 歲開(kāi)始需要依靠外力進(jìn)行站立，5～10 歲逐步失去行走能力。 個(gè)案研究發(fā)現(xiàn)6 歲出現(xiàn)遞進(jìn)式的運(yùn)動(dòng)失調(diào)和四肢顫抖，7 歲時(shí)完全依賴于外界控制站立［12］；Pommerening［14］等對(duì)25 名研究對(duì)象進(jìn)行分析，將能否獨(dú)自站立分為行走組和輪椅組，結(jié)果顯示10 歲以上患者完全依賴于輪椅活動(dòng)；Woods［15］統(tǒng)計(jì)認(rèn)為AT 病人平均8 歲將失去書(shū)寫(xiě)能力不得不停止教育，也佐證10 歲將失去行走能力。

1.2 動(dòng)物模型及組織的對(duì)比

權(quán)威文獻(xiàn)Nature 上發(fā)表關(guān)于成年鼠（5～6 月齡）、衰老鼠（20～24 月齡）、老態(tài)鼠（28～32 月齡）之間骨骼肌肌纖維數(shù)量和肌纖維尺寸的研究， 肌纖維數(shù)量結(jié)果顯示成年鼠＞衰老鼠＞老態(tài)鼠（p＜0.05）；肌纖維橫截面積顯示成年鼠＞衰老鼠＞老態(tài)鼠（p＜0.05）［20］。 衰老小鼠骨骼肌肌力和肌量的下降，研究認(rèn)為與蛋白質(zhì)合成通路受到抑制相關(guān)［21］，也有研究指出細(xì)胞外基質(zhì)的變化引起機(jī)械性能的變化［22-23］。 研究報(bào)道運(yùn)動(dòng)干預(yù)后動(dòng)物模型的有益積累效果減弱或無(wú)變化， 進(jìn)而表明衰老將導(dǎo)致小鼠運(yùn)動(dòng)能力逐步削弱［24］。

ATM-/-小鼠與野生型小鼠相比體型更小，Ching［25］等發(fā)現(xiàn)純合子的體重是野生型小鼠的70%左右 （16.7±1.2 g vs 23.7±2.2 g，p＜0.01）；Quek［26-27］等在構(gòu)建的ATM 大鼠敲除模型顯示，實(shí)驗(yàn)動(dòng)物出現(xiàn)下肢癱瘓和骨骼肌萎縮現(xiàn)象。 ATM 動(dòng)物模型發(fā)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)臺(tái)測(cè)試性能下降， 而且步長(zhǎng)較短和步型不一致的現(xiàn)象出現(xiàn)，還發(fā)生輕度運(yùn)動(dòng)學(xué)習(xí)障礙［28-29］。

1.3 改善癥狀的方法探究

1.3.1 運(yùn)動(dòng)干預(yù)比較

運(yùn)動(dòng)可改善骨骼肌衰減癥表征， 加強(qiáng)骨骼肌肌力及骨骼肌的增粗肥大，可能通過(guò)調(diào)控骨骼肌中的細(xì)胞外基質(zhì)、氧化還原狀態(tài)、細(xì)胞自噬等信號(hào)通路［30］。 中等強(qiáng)度的有氧運(yùn)動(dòng)有改善作用：人體實(shí)驗(yàn)包括下坡跑訓(xùn)練［31］（坡度為-10°，85%最大攝氧量，12×5 min/次）、自行車蹬車實(shí)驗(yàn)［32］（6 周，4 次/周，30 min/次）和12 周的有氧自行車訓(xùn)練［33］（45 min/次，3 次/周，75%最大攝氧量），有效增加肌纖維的橫截面積；動(dòng)物實(shí)驗(yàn)包括SD 大鼠跑臺(tái)運(yùn)動(dòng)［34］（17 m/min，90 min）、衰老小鼠跑臺(tái)運(yùn)動(dòng)［35］（6 次/周，11.5 m/min，30 min/次）改善骨骼肌質(zhì)量和衛(wèi)星細(xì)胞數(shù)量。抗阻運(yùn)動(dòng)一直被認(rèn)為是改善衰老骨骼肌質(zhì)量和功能的關(guān)鍵手段：Snijders［11,23,36］團(tuán)隊(duì)常年研究衰老機(jī)體通過(guò)抗阻運(yùn)動(dòng)后的變化，結(jié)果認(rèn)為骨骼肌橫截面積和肌纖維增加， 有效改善骨骼肌功能以及增多衛(wèi)星細(xì)胞含量；Dreyer［37］等獨(dú)立研究團(tuán)隊(duì)也得到類似的結(jié)果，雖然較青年組效果有所下降。

盡管運(yùn)動(dòng)干預(yù)AT 病人的實(shí)例不多，但研究結(jié)果都具有良性效果：Felix［19］等設(shè)計(jì)24 周的呼吸肌訓(xùn)練實(shí)驗(yàn)，通過(guò)訓(xùn)練后實(shí)驗(yàn)組最大吸氣壓和最大呼氣壓顯著提升， 顯著緩解呼吸困難的感覺(jué)。 運(yùn)動(dòng)干預(yù)對(duì)2 種疾病模型均顯示有顯著性提升的效果，認(rèn)為運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練有助于改善病狀。

1.3.2 藥物/營(yíng)養(yǎng)干預(yù)比較

除了運(yùn)動(dòng)干預(yù)以外，藥物、營(yíng)養(yǎng)和聯(lián)合干預(yù)（藥物/營(yíng)養(yǎng)/運(yùn)動(dòng)相結(jié)合的方式）都能延緩/改善衰老個(gè)體的骨骼肌質(zhì)量和功能的作用。 藥物治療骨骼肌衰減癥的有效靶點(diǎn)分子不斷的被發(fā)現(xiàn)，包括選擇性雄激素受體分子、胃饑餓素激動(dòng)劑、肌生成抑制素抗體、激活素IIR 拮抗劑、血管緊張素轉(zhuǎn)換酶抑制劑、β拮抗劑、快速骨骼肌肌鈣蛋白激活劑等［38］。 動(dòng)物［39］和人體［40］實(shí)驗(yàn)通過(guò)氨基酸補(bǔ)給促進(jìn)骨骼肌蛋白質(zhì)合成增加； 通過(guò)維生素D 補(bǔ)給防治缺乏引起的骨質(zhì)疏松、骨骼肌衰減等疾?。?1］；另外維生素C、E 和類胡蘿卜素等微量要素的補(bǔ)給有助于骨骼肌衰減癥［42］。 運(yùn)動(dòng)與營(yíng)養(yǎng)/藥物的聯(lián)合干預(yù)有助于骨骼肌功能和質(zhì)量的提升［43］，認(rèn)為3 個(gè)月內(nèi)對(duì)提高步行速度有積極作用［44］。

AT 病人身高、體重及BMI 顯著較小，因而許多研究對(duì)AT病人營(yíng)養(yǎng)狀況及生長(zhǎng)激素進(jìn)行分析，及時(shí)營(yíng)養(yǎng)/藥物補(bǔ)給的研究早已實(shí)施但無(wú)效果。 例如有研究發(fā)現(xiàn)AT 病人6 歲缺乏生長(zhǎng)激素，采用6 個(gè)月的生長(zhǎng)激素治療，無(wú)法改變病人運(yùn)動(dòng)失調(diào)和顫抖情況［12］；19 名病人存在營(yíng)養(yǎng)不良現(xiàn)象，給予充足營(yíng)養(yǎng)條件，BMI 仍然下降［45］；2 項(xiàng)研究均發(fā)現(xiàn)AT 病人缺乏維生素D［13］，且維生素D 的缺失與行走能力直接相關(guān)［14］；給予病人維生素A和鋅充足補(bǔ)給，也無(wú)法改善AT 病人瘦體重偏低的現(xiàn)狀［46］。

通過(guò)2 種疾病受到藥物/營(yíng)養(yǎng)的干預(yù)實(shí)驗(yàn)得出， 藥物、營(yíng)養(yǎng)和聯(lián)合干預(yù)對(duì)于衰老有顯著的改善作用，而對(duì)于AT 疾病無(wú)有益作用。

圖2 本研究疾病的骨骼肌衰減癥表現(xiàn)、疾病及其相關(guān)機(jī)制

2 衰老常見(jiàn)疾病與ATM 缺失表型比較

2.1 ATM 與阿爾茨海默癥

阿爾茨海默癥是一種增齡性神經(jīng)系統(tǒng)疾病， 主要以記憶力減退和認(rèn)知功能障礙為臨床特征， 并以老年斑和突觸丟失為主要病理特征的疾病， 常見(jiàn)于中老年人群也是癡呆癥的一種［50］。 近期，Kreis 研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為大腦發(fā)育蛋白（Drebrin，DBN）可調(diào)控神經(jīng)發(fā)育過(guò)程中的細(xì)胞骨架的功能， 其作用與衰老、AD 疾病的結(jié)構(gòu)和突觸功能變化相關(guān)［6］。Kommaddi 等證實(shí)DBN對(duì)氧化應(yīng)激誘導(dǎo)的功能障礙具有保護(hù)機(jī)制，其機(jī)制為ATM 刺激DBN（ATM 的底物）調(diào)節(jié)細(xì)胞骨架動(dòng)態(tài)的信號(hào)，抵御氧化應(yīng)激和能量代謝的損傷，證實(shí)ATM 主要靶點(diǎn)是DBN 的647 號(hào)絲氨酸磷酸化，可改善AD 的早期癥狀［51］。 也有研究認(rèn)為ATM-/-小鼠與AD 疾病具有一定的相似性作為AD 疾病模型，可通過(guò)定期給予布洛芬，減少神經(jīng)炎癥反應(yīng)、促進(jìn)神經(jīng)存活、增加嚙齒動(dòng)物不同神經(jīng)退行性的識(shí)別能力，其中包括AD、創(chuàng)傷性腦損傷和過(guò)度興奮性毒性等［52］。

AT 疾病一般發(fā)生在嬰幼兒時(shí)期（5 歲之前）導(dǎo)致多組織失調(diào)現(xiàn)象， 如核心中樞神經(jīng)發(fā)生退行性的變化， 主要發(fā)生在小腦；而AD 大部分發(fā)生在生命的中后期（尤其是70 歲以后），海馬體、額葉皮質(zhì)和皮質(zhì)下的初級(jí)神經(jīng)元的損傷為主，盡管2種疾病之間有部位、年齡等的差異，但是卻發(fā)現(xiàn)AD 患者的神經(jīng)元死亡與ATM 信號(hào)消失相關(guān)［53］。

在人類AD 中， 組蛋白去乙?；? 的核轉(zhuǎn)移、 組蛋白H3 的三甲基化以及細(xì)胞周期活性的降低，這3 個(gè)獨(dú)立角度都證實(shí)ATM 功能降低， 直接提示ATM 功能失調(diào)可能是AD 個(gè)體神經(jīng)元死亡的一個(gè)重要原因。 為了更好的觀察AD 與ATM的關(guān)系，Shen 等采用3 種AD 嚙齒動(dòng)物轉(zhuǎn)基因模型 （R1.40 小鼠APP 轉(zhuǎn)基因、PS/APP 小鼠和3xTG 小鼠；相對(duì)應(yīng)的野生型作為對(duì)照組），無(wú)一例外都支持AD 大腦中ATM 功能的喪失；AD病人活檢細(xì)胞對(duì)ATM 標(biāo)志物HDAC4 的檢測(cè)也發(fā)現(xiàn)ATM 信號(hào)顯著下降［54］；研究還對(duì)AD 病人腦組織進(jìn)行ATM 轉(zhuǎn)錄和翻譯情況進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果一致認(rèn)為ATM 的功能顯著下調(diào)［53］。

2.2 ATM 與癌癥

有研究認(rèn)為ATM 蛋白缺失所引起的癌癥， 與DNA 雙鏈斷裂修復(fù)缺陷相關(guān)， 這種毒性應(yīng)激加劇遺傳不穩(wěn)定導(dǎo)致癌癥的發(fā)生［55］，另一種觀點(diǎn)認(rèn)為AT 病人顯示出免疫力下降，也會(huì)造成癌癥風(fēng)險(xiǎn)的升高［56］。 Choi 等對(duì)ATM 突變的區(qū)域解析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)ATM 突變發(fā)生幾乎沒(méi)有重復(fù)的突變位置， 也就是說(shuō)ATM 整個(gè)基因序列隨機(jī)的發(fā)生突變［57］。

表1 基于骨骼肌衰減癥診斷共識(shí)的比較

關(guān)于ATM 與癌癥的研究， 可追溯到19 世紀(jì)80 年代，AT病人可增加乳腺癌的發(fā)生率，隨后乳腺癌在家族遺傳中發(fā)現(xiàn)，之后越來(lái)越多的癌癥被發(fā)現(xiàn)與ATM 蛋白缺失相關(guān)［58］。 Helgason［59］等發(fā)現(xiàn)有許多基因直接通過(guò)ATM 進(jìn)行磷酸化（BRCA1、BRCA2、TP53、PALB2、CHEK2 和NBN 等）， 或依賴于ATM 功能進(jìn)行誘導(dǎo)磷酸化作用發(fā)生。AT 病人擁有很高的患癌癥風(fēng)險(xiǎn)約25%， 而且在病人的前20 年發(fā)生淋巴瘤和白血病最為常見(jiàn)，年齡較大的病人則逐步發(fā)展成固態(tài)腫瘤包括乳腺癌和腸胃癌等［58］，2011 年一項(xiàng)關(guān)于英國(guó)和荷蘭296 名AT 病人進(jìn)行調(diào)查，其中有66 名患者確診為癌癥（47 名淋巴瘤和19 名非淋巴瘤），還證明兒童時(shí)期缺乏ATM 蛋白與淋巴樣腫瘤相關(guān)，發(fā)現(xiàn)有8 例乳腺癌病例，AT 患者乳腺癌風(fēng)險(xiǎn)增加了30 倍［60］。另一項(xiàng)研究對(duì)法國(guó)279 名AT 病人分析，69 名癌癥患者，包括8 名急性白血病（4 名T 細(xì)胞急性白血?。?2 名霍奇金淋巴瘤、38 名非霍奇金淋巴瘤、3 名發(fā)展為T(mén) 細(xì)胞前淋巴細(xì)胞白血病等［56］。

ATM 攜帶者（雜合型，即含有一條突變的ATM 基因個(gè)體）通常情況下表現(xiàn)為健康個(gè)體， 系統(tǒng)分析認(rèn)為ATM 攜帶者得癌癥和心臟病的比率增加，且縮短壽命。雖然ATM 在普通人群中的存在率僅僅只有1%～2%， 但是雜合型的個(gè)體患癌癥的風(fēng)險(xiǎn)男生為2.3 倍，女生為3.1 倍［61］，Jerzak［62］研究認(rèn)為雜合型人群中終身發(fā)生乳腺癌的風(fēng)險(xiǎn)超過(guò)25%，因此建議40 歲以后要進(jìn)行每月一次的自檢和每年一次的專項(xiàng)檢測(cè)。 ATM 被列為中度風(fēng)險(xiǎn)的乳腺癌標(biāo)志基因，2016 年的meta 分析攜帶者人群發(fā)現(xiàn)乳腺癌發(fā)生率在50 歲時(shí)6% vs 80 歲時(shí)的30%［63］。Thompson［64］等也報(bào)道ATM 雜合型的乳腺癌分別存在中年組高于青年2倍以上，也存在女性高于男性的現(xiàn)象。 除了乳腺癌較為常見(jiàn)以外，文獻(xiàn)還報(bào)道了消化道癌癥、結(jié)腸直腸癌、胃癌等發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)顯著提升［64-65］。

2.3 ATM 與糖尿病

早在20 世紀(jì)70 年代，Schalch 等發(fā)現(xiàn)一例特殊的AT 病人，顯示出以胰島素抵抗的糖尿病患者的癥狀，無(wú)獨(dú)有偶，AT病人餐后會(huì)發(fā)生血糖異?，F(xiàn)象， 其中有一部分都患有糖尿病癥狀，通常出現(xiàn)在疾病進(jìn)展的晚期［55,66］，Morio 報(bào)告AT 病人有更高的風(fēng)險(xiǎn)發(fā)展成為糖尿?。?7］。 近期，全基因相關(guān)性研究中發(fā)現(xiàn)單核苷酸多態(tài)位點(diǎn) （SNP）rs11212617 與二甲雙胍血糖反應(yīng)有關(guān)， 該位點(diǎn)正好位于11 號(hào)染色體的一個(gè)連鎖不平衡區(qū)域，共擁有7 個(gè)候選基因。ATM 基因恰好位于該區(qū)域中，雖然之前并沒(méi)有相關(guān)報(bào)道其與二甲雙胍有相互作用的關(guān)系，但已經(jīng)有證據(jù)表明ATM 與葡萄糖代謝有相關(guān)性［55］。 早期體外實(shí)驗(yàn)中觀察到ATM 與多種胰島素信號(hào)（JNK、PI3K、IRS2 和Akt）的相互作用關(guān)系［68］，2019 年筆者針對(duì)ATM 與IGF1-Akt-mTOR-4EBP1通路的相關(guān)性進(jìn)行探討，進(jìn)行系統(tǒng)性的綜述，闡明ATM 直接或間接作用于各要素［69］。

另一個(gè)角度也證實(shí)ATM 缺失與血糖濃度上升有關(guān)。 動(dòng)物實(shí)驗(yàn)：Miles 通過(guò)對(duì)12 周齡小鼠進(jìn)行糖耐受實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)ATM-/-小鼠的血糖高于野生型，21～27 周齡時(shí)也發(fā)現(xiàn)相似的現(xiàn)象，胰島素的分泌量在ATM-/-小鼠骨骼肌中持續(xù)下降［70］；通過(guò)氯喹的注射扭轉(zhuǎn)ATM 缺陷小鼠糖尿病癥狀， 增加胰島素刺激的Akt 的磷酸化作用［71］。 Connelly 等采用AT 患者和對(duì)照組進(jìn)行口服葡萄糖耐量試驗(yàn)，采用連續(xù)的血糖和胰島素測(cè)定，研究發(fā)現(xiàn)葡萄糖濃度分別為6.75 mmol/l、4.93 mmol/l（p=0.029），胰島素濃度分別為285.6 pmol/l、148.5 pmol/l（p=0.043），結(jié)論表示ATM 導(dǎo)致AT 病人的血糖升高和胰島素敏感性降低有關(guān)［72］。

2.4 ATM 與其他老年病

ATM 除了與上述疾病有相關(guān)研究以外， 還發(fā)現(xiàn)與亨廷頓病、心血管疾病、關(guān)節(jié)炎、骨質(zhì)疏松等有關(guān)。 亨廷頓病，也叫做大舞蹈病或亨廷頓舞蹈癥，是常染色體顯性遺傳的疾病，該病是由于Huntington 基因發(fā)生變異， 產(chǎn)生了變異蛋白后逐步產(chǎn)生大的分子團(tuán)影響神經(jīng)細(xì)胞的功能。 HD 病人DNA 損傷時(shí)是由DNA 修復(fù)過(guò)程中Huntington 基因蛋白功能障礙引起的，因而活性氧的升高引起的DNA 氧化損傷加劇積累可能是HD發(fā)病的重要原因之一，Maiuri 的研究顯示Huntington 蛋白損傷位點(diǎn)依賴于ATM 蛋白的活性［73］。 Tidball［74］和Ferlazzo［75］的2項(xiàng)研究都認(rèn)為ATM 缺失對(duì)HD 形成有關(guān)，HD 的修復(fù)和功能發(fā)揮依賴于ATM 蛋白，還認(rèn)為錳離子的下降是引起ATM-p53信號(hào)通路阻斷， 導(dǎo)致ATM 下游靶點(diǎn)目標(biāo)基因無(wú)法激活的原因。 Lu［76］的細(xì)胞實(shí)驗(yàn)中得出相反的結(jié)論，研究發(fā)現(xiàn)HD 小鼠和HD 患者的腦組織中，ATM 信號(hào)持續(xù)升高， 雖然也認(rèn)為ATM蛋白可能是HD 一個(gè)關(guān)鍵的治療靶點(diǎn)， 但是卻認(rèn)為減少ATM信號(hào)有利于改善HD 癥狀。

ATM 與心血管疾?。ü跔顒?dòng)脈硬化/動(dòng)脈粥樣硬化血管疾?。┑难芯恐饕且蕾囉赟NP 的相關(guān)性探索。德國(guó)通過(guò)240 名II 型糖尿病男性病人進(jìn)行rs11212617 位點(diǎn)的研究，證明ATM依賴的信號(hào)可能對(duì)硬化血管疾病有重要作用［77］；早期國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)562 名病人的rs189037 多態(tài)位點(diǎn)進(jìn)行分析， 通過(guò)檢測(cè)ATM mRNA 表達(dá)發(fā)現(xiàn)該位點(diǎn)可能影響ATM mRNA 的表達(dá)量，進(jìn)而對(duì)動(dòng)脈硬化起作用［78］；隨后針對(duì)國(guó)內(nèi)漢族1 308 樣本（實(shí)驗(yàn)組652 人和對(duì)照組656 人）的rs189037 進(jìn)行探索，研究證實(shí)ATM 基因中rs189037 與中國(guó)漢族人群中冠狀動(dòng)脈硬化有關(guān)，rs189037 位點(diǎn)的TT 表型有更低的心血管疾病可作為CAD 的遺傳學(xué)指標(biāo)［79］。多態(tài)位點(diǎn)的結(jié)果雖然已經(jīng)證實(shí)ATM 與心血管疾病之間的關(guān)系， 但是仍需要更多的后續(xù)研究進(jìn)行驗(yàn)證。

關(guān)節(jié)炎與ATM 蛋白有相關(guān)性的研究，2009 年研究發(fā)現(xiàn)類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎患者都缺少DNA 修復(fù)酶ATM， 分別探索ATM及其相關(guān)信號(hào)通路都被抑制；同時(shí)他進(jìn)行了ATM 蛋白的過(guò)表達(dá)實(shí)驗(yàn)通過(guò)激活DNA 修復(fù)通路可有效治療關(guān)節(jié)炎［80］。 另外兒童誘發(fā)性關(guān)節(jié)炎常常發(fā)生在16 歲之前，該病極大可能發(fā)展成慢性風(fēng)濕病甚至導(dǎo)致殘疾，而近期報(bào)道ATM 蛋白與兒童誘發(fā)性關(guān)節(jié)炎高度相關(guān)［81］。 20 世紀(jì)初，ATM 缺失小鼠也被用于作為骨質(zhì)疏松模型使用， 研究顯示ATM 缺失導(dǎo)致骨骼質(zhì)量下降、骨骼形成減緩和成骨細(xì)胞分化/成熟失敗等表型［82］。

3 與衰老調(diào)節(jié)相關(guān)的信號(hào)通路分析

衰老是骨骼肌衰減癥的發(fā)病機(jī)制的基礎(chǔ)， 與肌肉退行性進(jìn)程性的改變相關(guān)［8］，本節(jié)主要討論可能影響衰老的具體機(jī)制，包括胰島素類生長(zhǎng)因子信號(hào)通路、雷帕霉素受體信號(hào)通路、線粒體和氧化應(yīng)激反應(yīng)、細(xì)胞衰老、蛋白質(zhì)穩(wěn)態(tài)、生物節(jié)律等方面［83］，比對(duì)ATM 蛋白與其相關(guān)作用。

3.1 ATM 與胰島素

大部分AT 病人血清指標(biāo)中胰島素樣生長(zhǎng)因子-1（Insulin-like growth factor-1，IGF-1）含量偏低，推測(cè)是由IGF-1及其相關(guān)蛋白影響機(jī)體生長(zhǎng)和體重增長(zhǎng)所造成的［45,84］。 Schubert［45］認(rèn)為9/16 的患者IGF-1 含量低于同齡對(duì)照的前3%，而且13/16 的患者IGF-1 主要結(jié)合蛋白IGFBP-3 濃度顯著較低。 Voss［85］測(cè)定了24 名患者的IGF-1 水平，結(jié)果顯示其中10位患者的濃度（41.7%）低于同齡前3%，Kieslich［84］的研究也表明6 名AT 病人中IGF-1 的含量低于前3%。Pommerening［14］測(cè)定了激素相關(guān)指標(biāo)，發(fā)現(xiàn)IGF-1、皮質(zhì)醇和脫氫表雄酮顯著低于對(duì)照組。 與此同時(shí)，提取AT 病人成纖維細(xì)胞并進(jìn)行離體培養(yǎng)，發(fā)現(xiàn)IGF-1-sCLU（secretory clusterin）蛋白水平顯著低于對(duì)照組，可能是IGF-1 含量偏低所引起的［86］。

3.2 ATM 與mTOR 通路

3.2.1 與mTOR 上游通路

Akt 是mTOR 通路中的一個(gè)核心因子， 研究發(fā)現(xiàn)Akt 和ATM 基因敲除模型小鼠具有許多相似表型， 如： 生長(zhǎng)停滯、不育癥、免疫系統(tǒng)缺陷和胰島素抵抗［87-88］。 通常情況下，ATM蛋白含量與細(xì)胞中Akt 磷酸化水平無(wú)相關(guān)性。 當(dāng)機(jī)體受到胰島素/IGF-1 等條件刺激時(shí)ATM 缺失會(huì)直接影響Akt 的磷酸化［25,89-90］。 Ching［90］對(duì)比目魚(yú)肌細(xì)胞和C2C12 肌管采取10 nM的IGF-1 刺激，時(shí)長(zhǎng)為20 min，結(jié)果顯示ATMKD 的C2C12 肌管顯著下調(diào)Akt 的S473/T308 磷酸化水平；與ATM+/+小鼠的比目魚(yú)肌細(xì)胞相比，ATM+/-的AktS473/T308 磷酸化水平發(fā)生明顯的阻礙作用， 進(jìn)一步檢測(cè)發(fā)現(xiàn)p-mTOR 蛋白含量也顯著下調(diào)，而總體mTOR 沒(méi)有改變。

為了探尋ATM 與IGF-1R 的直接聯(lián)系， 研究者將完整ATM 全片段的cDNA 轉(zhuǎn)染到AT 突變細(xì)胞中［91］，通過(guò)實(shí)驗(yàn)技術(shù)Westernblot 驗(yàn)證8 個(gè)細(xì)胞GM5849 的cDNA 全部成功轉(zhuǎn)染，證實(shí)有全面表達(dá)的ATMcDNA 可增加IGF-1R 的表達(dá)水平［92］。 氨基末端激酶（Jun N-terminal kinase，JNK）誘導(dǎo)IRS-1 S307 磷酸化，阻斷胰島素信號(hào)通路Ching［90］利用激酶反應(yīng)試劑盒檢測(cè)野生型和雜合型中比目魚(yú)肌的PI3K 活性，結(jié)果顯示IGF-1 刺激下的PI3K 活性在ATM+/-中偏低（p=0.053）。 Viniegra［93］研究ATM 對(duì)Cos 細(xì)胞胰島素刺激的Akt S473 的磷酸化有直接作用， 進(jìn)一步探究是否通過(guò)抑制PI3K 能夠阻礙Akt 的磷酸化，與預(yù)期結(jié)果相一致，PI3K 的各種抑制劑（200 nM 渥曼青霉素、2 μML Y294002、2 nM 咖啡因） 的加入完全阻礙S473 的磷酸化，即抑制ATM-PI3K-Akt 通路中的PI3K 可直接阻礙Akt 的磷酸化進(jìn)行。

3.2.2 ATM 與mTOR 下游通路

在活體雷帕霉素影響的研究中編碼翻譯過(guò)程受到許多磷酸化所調(diào)控， 如核糖體S6 蛋白和其激酶p70S6K1 以及eIF-4F 結(jié)合蛋白4E-BP1。 Ching 進(jìn)行3 項(xiàng)單獨(dú)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證ATM 在IGF-1 刺激下促使S6K1 磷酸化下調(diào)：1）IGF-1 刺激的S6K1磷酸化位點(diǎn)在T389，C2C12 細(xì)胞ATM shRNA 中S6K T389 磷酸化水平顯著下降；2） 正常的C2C12 細(xì)胞 （ATM+/+） 培育在KU55933 中，通過(guò)阻礙胰島素通路中的PI3K，進(jìn)而抑制通路進(jìn)程來(lái)降低S6K1 的磷酸化水平；3）在觀察只有一半功能的雜合型ATM+/-比目魚(yú)肌細(xì)胞，在IGF-1 刺激下S6K1 磷酸化水平顯著低于野生型對(duì)照［90］。 Burnett［94］報(bào)告ATM 類似家族的相關(guān)激酶有助于促進(jìn)mTOR 下游S6K1 和4E-BP1 磷酸化。Yang［95］在研究胰島素刺激下蛋白質(zhì)合成通路過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)誘導(dǎo)eIF4E的結(jié)合蛋白4EBP1，ATM 能在4EBP1 的S111 位點(diǎn)發(fā)生磷酸化，當(dāng)ATM 缺失的離體細(xì)胞，顯著下調(diào)4EBP1 從eIF4E 分離水平。 與此結(jié)果相一致的研究Kuang［96］在ATM-/-小鼠中發(fā)現(xiàn)ATM 的功能缺失下調(diào)mTOR 信號(hào)通路的4EBP1 水平。

基于以上所述，基本構(gòu)建出ATM 阻礙/抑制骨骼肌蛋白質(zhì)合成的可能路徑（見(jiàn)圖3）。 ATM 缺失/下調(diào)可能發(fā)生的假設(shè)路徑：下調(diào)ATM→下調(diào)IGF-1→下調(diào)IGF-1R→下調(diào)IRS-1（通過(guò)下調(diào)Y612 或上調(diào)S307）→下調(diào)PI3K→下調(diào)Akt（通過(guò)下調(diào)S473 和T308）→下調(diào)mTOR→下調(diào)S6K1 和下調(diào)4E-BP1 的分離率→骨骼肌蛋白質(zhì)合成［69］。

圖3 ATM 阻礙骨骼肌蛋白質(zhì)合成的路徑假設(shè)［69］

3.3 ATM 與ROS

ATM 蛋白在調(diào)控ROS 中發(fā)揮突出作用，AT 的嚙齒動(dòng)物和細(xì)胞模型/系都有氧化應(yīng)激水平升高的共同特性，ATM 蛋白缺失導(dǎo)致的DNA 雙鏈斷裂和機(jī)體ROS 急劇升高，是引起AT病人和動(dòng)物模型、細(xì)胞模型衰老的主要原因［4,97］。

早期研究表明突變的ATM 缺乏動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中提升機(jī)體的氧化大分子及ROS 水平：ATM-/-小鼠與正常小鼠大腦區(qū)域和特定神經(jīng)元的活性氧進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，ATM-/-小鼠的浦肯野細(xì)胞和黑質(zhì)多巴胺能神經(jīng)元的超氧化物水平顯著升高［98］；另一組實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)ATM-/-腦中含硫醇化合物的水平發(fā)生了變化， 同時(shí)ATM-/-小腦中的硫氧還蛋白、過(guò)氧化氫酶和錳超氧化物歧化酶活性也發(fā)生了顯著升高現(xiàn)象［99］；4 月齡的ATM-/-小腦呼吸率和造成NADPT 和NADP+氧化還原總體水平的降低等［100］。 近期研究也證實(shí)了ROS 升高現(xiàn)象，Weyemi［101］等首次證明NADPH氧化酶4（NOX4）參與調(diào)節(jié)AT 疾病，并報(bào)道AT 細(xì)胞中有較高水平的NOX4，ATM 的缺失直接導(dǎo)致NOX4 的高表達(dá)與正常細(xì)胞進(jìn)行比較；將ATM 突變小鼠中分離出的小腦星形膠質(zhì)細(xì)胞，抗氧化劑GSH 和谷胱甘肽-s-轉(zhuǎn)移酶的表達(dá)均下降［102-103］。

有研究認(rèn)為ATM 缺陷小鼠的神經(jīng)細(xì)胞、 培養(yǎng)的細(xì)胞系等，可通過(guò)抗氧化劑的處理改善和延緩由ROS 引起的衰老表型。 當(dāng)添加異吲哚胺硝基可以防止ATM 缺陷小鼠的浦肯野細(xì)胞死亡，并將樹(shù)突發(fā)育水平提高到野生型水平［104］；當(dāng)注射fulvene-5 后，降低癌癥風(fēng)險(xiǎn)，并治療神經(jīng)退行性的癥狀［101］；另外添加n -乙酰- l-半胱氨酸(NAC) 可恢復(fù)ATM-/-星形膠質(zhì)細(xì)胞的正常增殖（ATM 是星型交織細(xì)胞生長(zhǎng)所必須的，當(dāng)通過(guò)調(diào)控ROS 水平恢復(fù)ATM 功能），恢復(fù)AT 突變星形膠質(zhì)細(xì)胞中的谷胱甘肽水平［102-103］。

3.4 ATM 與DNA 損傷修復(fù)

多種代謝活動(dòng)都會(huì)引起哺乳動(dòng)物細(xì)胞中DNA 雙鏈的斷裂，導(dǎo)致突變和細(xì)胞轉(zhuǎn)化失調(diào)，ATM 缺失直接導(dǎo)致機(jī)體、組織和細(xì)胞中DNA 雙鏈的斷裂， 除了受到持續(xù)激增的ROS 影響外，還受到修復(fù)能力下降和速率減緩的限制，主要的DNA 損傷應(yīng)激信號(hào)成分是蛋白激酶ATM 和ATR［105-106］。 Song［107］等通過(guò)AT 病人觀察發(fā)現(xiàn)其先天免疫系統(tǒng)的膠質(zhì)細(xì)胞受到影響，ATM 活性的喪失導(dǎo)致DNA 修復(fù)的減慢及基因組DNA 細(xì)胞質(zhì)片段的累積增多。 研究認(rèn)為衰老和老齡化會(huì)導(dǎo)致以ATM 為主導(dǎo)因素的DNA 損傷應(yīng)激過(guò)程加劇， 通過(guò)激活A(yù)TM 可緩解相關(guān)癥狀和進(jìn)程［106］。 因此，ATM 可直接或間接調(diào)控相關(guān)信號(hào)通路，進(jìn)行修復(fù)DNA 損傷后的修復(fù)。

1）ATM 參與調(diào)控核區(qū)泛素化作用促進(jìn)DNA 損傷修復(fù)。本世紀(jì)初，多個(gè)獨(dú)立研究團(tuán)隊(duì)都進(jìn)行了相關(guān)研究，證實(shí)DNA 雙鏈斷裂后會(huì)自發(fā)激活A(yù)TM，ATM 活化后會(huì)將H2AX 上蘇氨酸S139 的位點(diǎn)磷酸化，生成γH2AX，最終進(jìn)行DNA 的損傷修復(fù)［108-110］。2）ATM 調(diào)控其他染色質(zhì)修飾實(shí)現(xiàn)修復(fù)功能。①H2BUb 下調(diào)直接影響細(xì)胞中非同源性末端連接（Nonhomologous End Joining,NHEJ） 和同源重組 （Homologous Recombination,HR）修復(fù)［111］。 H2B 被發(fā)現(xiàn)在DNA 雙鏈斷裂附件發(fā)生泛素化，并且受到RNF20-RNF40 異二聚體的催化。②ATM 激活KAP1（KRAB-associated protein 1, also known as TIF1beta, TRIM28 or KRIP-1）的磷酸化釋放染色質(zhì)進(jìn)行修復(fù)［112］。KAPI 是一種轉(zhuǎn)錄輔抑制因子，它與組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶和組蛋白去乙酰化酶復(fù)合物協(xié)同作用，共同促進(jìn)染色質(zhì)的致密化。 KAP1 磷酸化依賴于ATM，干預(yù)KAPI 和CHD3 核小體的重構(gòu)進(jìn)而促進(jìn)染色質(zhì)的釋放［113］。 3）ATM 被DNA 單鏈斷裂（single-strand breaks，SSBs）修復(fù)DNA 雙鏈斷裂。DNA SSB 既是DNA 自發(fā)失穩(wěn)狀態(tài)下的結(jié)果，也是DNA 修復(fù)過(guò)程中的中間產(chǎn)物，所以SSB 的修復(fù)必然發(fā)生在DNA 復(fù)制之前。 CHK1 和CHK2 是ATM/ATR 主要的反應(yīng)靶點(diǎn)，與ATM 和ATR 一起，通過(guò)各種基質(zhì)作用于減少循環(huán)依賴激酶CDK［114］。 研究報(bào)道ATM 可被SSB 所激活同時(shí)延長(zhǎng)G1 細(xì)胞周期延遲，從而更多的時(shí)間進(jìn)行DNA 損傷修復(fù)［115］。

3.5 ATM 與小腦神經(jīng)退行性

AT 是一種復(fù)雜的中樞神經(jīng)退行性病變的疾病，AT 病人的神經(jīng)變化與ATM 激酶的缺失或部分缺失有密切關(guān)聯(lián)，這一過(guò)程可轉(zhuǎn)化為小腦神經(jīng)退行性變和AT 神經(jīng)肌肉失用相關(guān)，最終導(dǎo)致肌肉刺激不足或錯(cuò)誤，進(jìn)而促使肌肉退化［116］。 ATM 蛋白缺失與機(jī)體神經(jīng)退行性變化直接相關(guān)， 因而AT 病人與AT動(dòng)物模型都存在肢體控制能力下降， 不能行走或行走緩慢等表征［4,26］。Ruiz-botero［12］等報(bào)道AT 病人出現(xiàn)運(yùn)動(dòng)失調(diào)，四肢末梢開(kāi)始抖動(dòng)等；早期文獻(xiàn)也報(bào)道AT 病人手臂出現(xiàn)顫抖而且精準(zhǔn)度下降，行走困難等［16］；這些現(xiàn)象都顯示神經(jīng)對(duì)肌肉控制能力下降，提示ATM 蛋白缺失對(duì)小腦以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)有損傷。

4 ATM 嚙齒動(dòng)物模型

目前關(guān)于衰老的動(dòng)物模型構(gòu)建： ①自發(fā)性包括自然衰老和快速老化模型（SAMP8 應(yīng)用最廣）；②誘導(dǎo)性模型包括D-半乳糖致亞急性衰老模型、β 淀粉樣蛋白誘導(dǎo)模型、去胸腺誘導(dǎo)模型、γ 射線誘導(dǎo)模型、氯化鋁誘導(dǎo)和亞硝酸鈉等藥物誘導(dǎo)模型；③轉(zhuǎn)基因模型例如應(yīng)用CRISPR/Cas9 等［117］。 本節(jié)主要介紹ATM 蛋白缺失的嚙齒動(dòng)物模型，通過(guò)目的基因的敲除抑制ATM 蛋白表達(dá)的統(tǒng)計(jì)， 為之后衰老及骨骼肌衰減的研究作模型參考。

表2 ATM 嚙齒動(dòng)物模型構(gòu)建庫(kù)

為了探索ATM 蛋白缺失對(duì)機(jī)體的整體影響，多種ATM-/-的嚙齒動(dòng)物模型相繼敲除成功［4］：大鼠敲除ATM-/-第13 外顯子模型無(wú)ATM 蛋白表達(dá)； 小鼠模型除了ATM△SRI/△SRI7636del9（129SvJ C57BL/6J）表達(dá)少量蛋白以外，其余模型均無(wú)ATM 蛋白表達(dá)。 有部分實(shí)驗(yàn)認(rèn)為ATM 缺失不會(huì)造成共濟(jì)失調(diào)和小腦神經(jīng)退行變化［28］，然而大部分均認(rèn)為有顯著作用。ATM 缺失造成運(yùn)動(dòng)能力下降 （旋轉(zhuǎn)臺(tái)和開(kāi)放區(qū)域?qū)嶒?yàn)?zāi)芰ο陆担?8,118］；小腦結(jié)構(gòu)發(fā)育過(guò)程中被破壞［29］、小腦萎縮［26］；神經(jīng)元及網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)惡化［26,29,104］和突觸傳遞退化（多巴胺黑紋狀體嚴(yán)重退化和末端紋狀體不對(duì)稱［119］、神經(jīng)遞質(zhì)發(fā)生退化［26］；Purkinje 細(xì)胞的異常遷徙和增多［27］、樹(shù)突狀分支減少和不規(guī)則現(xiàn)象［26,29,104］和胞內(nèi)溶酶體數(shù)量增加［99］等；小腦組織和細(xì)胞中氧化應(yīng)激標(biāo)志物增加［99,120］和線粒體功能下降［26-27］。

圖4 ATM-/-小鼠創(chuàng)建的路徑研究

5 小結(jié)

衰老與抗衰老是人類目前科學(xué)研究重要命題， 本文通過(guò)ATM 蛋白缺失（人、動(dòng)物模型、細(xì)胞）與骨骼肌衰減癥的表征、衰老相關(guān)疾病、引起骨骼肌衰減癥的內(nèi)在機(jī)制探索，初步得出以下結(jié)論：1）AT 病人（ATM 動(dòng)物模型）與骨骼肌衰減癥具有一致的表型（骨骼肌質(zhì)量和肌力下降、運(yùn)動(dòng)能力減弱），并且運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練可扭轉(zhuǎn)2 種疾病的病癥。 2）ATM 蛋白缺失與衰老引起的老年癡呆、糖尿病、癌癥、骨質(zhì)疏松等老年病具有高度相關(guān)性，ATM 參與和保持骨骼肌功能（胰島素、mTOR、氧化應(yīng)激、DNA損傷修復(fù)、神經(jīng)退行性）與衰老引起的功能下降機(jī)制具有一致性。 3）梳理現(xiàn)有的ATM 動(dòng)物模型發(fā)現(xiàn)骨骼肌質(zhì)量下降、運(yùn)動(dòng)能力逐步消失、小腦功能失調(diào)和退行性的改變，因此建議ATM蛋白缺失模型可作為骨骼肌衰減癥的動(dòng)物模型。