ATM基因及其蛋白在动脉粥样硬化中的作用及机制

肖艳红，刘娟，吴建华，吴东方 （．武汉大学中南医院药学部，湖北 武汉4007；2．中山大学附属第六医院检验科，广东 广州50655；．恩施土家族苗族自治州中心医院，湖北 恩施445000）

共济失调毛细血管扩张症（ataxia telangiectasia，AT）是一种罕见的影响多个器官的常染色体隐性遗传性疾病，临床上主要表现为神经功能紊乱、肿瘤易感性增高、体液免疫和细胞免疫缺陷、胸腺萎缩、性腺发育异常、毛细血管扩张、糖尿病等［1－2］。通过遗传连锁分析，AT的疾病基因位于人染色体11q22～q23，并将此基因命名为ATM（ataxia telangiecta－sia，mutated）。早期有报道，ATM杂合子缺失可增加与动脉粥样硬化相关的心血管疾病，与正常人群相比，ATM杂合子携带者明显增加与年龄相关的死亡率，并且缺血性心脏病是这些患者早期死亡的重要原因之一。AT患者动脉粥样硬化（atherosclerosis，As）两个主要的危险因素血浆胆固醇和三酰甘油水平均显著增加。由于AT患者的寿命通常只有20～30岁，因此，As的致病因素在这些个体中一直没有研究。由于近年ATM基因敲除鼠模型出现AT患者的典型特征，ATM基因的研究取得了诸多的进展，本文就ATM基因及ATM蛋白与As的关系综述如下。

1 ATM基因及ATM蛋白

ATM基因全长160碱基对（base pair，bp），编码序列12 000 bp，共有66个外显子，外显子长度243～634 bp不等，内含子大小从100 bp～11 000 bp不等。突变分析研究证实ATM是AT的疾病基因。ATM基因突变位点可见于整个ATM基因，无突变热点及高频率突变区，没有1个位点的突变频率超过3%。目前约有400余种突变被发现，其中缺失突变或剪切突变在85%以上，其他亦可见插入突变、框内缺失等。错义突变只占已知突变的10%，大多数见于T淋巴细胞白血病患者。

ATM蛋白是370 kDa的磷酸化蛋白，在成年鼠各组织均有表达。尽管所研究的各组织均表达ATM mRNA和ATM蛋白，但不同组织ATM mRNA和ATM蛋白的水平并不一致。其中，胸腺、脾脏和睾丸ATM水平较高，而在脑组织，ATM水平并不高。原位杂交显示ATM mRNA在整个小鼠胚胎中表达，且在胚胎鼠和新生鼠脑组织中含有较高的ATM蛋白。目前认为，ATM蛋白是磷酸肌醇3－激酶（phosphoinositide 3－kinase，PI3K）家族中的一员，ATM 基因编码的蛋白产物与PI3K有高度的系列同源性，含有蛋白激酶结构域（domain）［3－4］。

ATM蛋白主要以无活性的多聚体存在于细胞核内［5－6］，电离辐射导致DNA双链断裂（DNA double strand break，DSB）或不导致DSB的其他刺激因子如紫外线、铬Ⅵ、一氧化氮、胰岛素和营养不良等均能激活ATM蛋白。当DSB时，ATM进行自体磷酸化，解聚成具有活性的单体。另外，细胞质基质中亦含有一定量的ATM蛋白，主要存在于胞浆囊泡结构中，如过氧化物酶体、溶酶体等。当细胞受到电离辐射或处于不同的细胞周期，细胞、胞浆中ATM蛋白水平及亚细胞器中的分布未出现明显的变化。因此，胞浆ATM的作用机制目前尚不完全清楚。

2 ATM基因及蛋白与动脉粥样硬化的关系

随着对As的深入研究，越来越多的基因和蛋白被发现参与As的调控。ATM是从AT患者中发现的基因，调节人体多项系统平衡，对机体功能的稳定性发挥着重要作用。早期研究证明ATM杂合子突变影响血浆总胆固醇和三酰甘油代谢，并增加As相关的心血管疾病，其机制尚不清楚。近年，Barlow等［7］在AT患者常见的ATM基因剪切突变区建立了小鼠ATM基因突变模型，使ATM基因与As的关系得到了广泛而深入的研究。

3 ATM突变促进As形成的可能机制

ATM是AT患者唯一的致病基因，可修复DNA双链损伤、阻止细胞凋亡、调节免疫功能和内分泌功能、介导细胞的物质代谢以及调节细胞的抗氧化应激能力等。而这一系列作用与As的形成有着密切的联系。

3．1 ATM抗氧化应激作用 实验证明，ATM缺失性小鼠体内的氧化应激相比于野生型小鼠显著提高，即ATM基因缺失有助于体内高氧化应激状态的形成［8－9］。虽然有很多实验证据证明ATM蛋白表达能够抑制氧化应激，但其影响机制目前还不清楚［10］。有研究证明ATM基因对机体氧化应激的修复作用主要是调控造血干细胞的自我更新作用［11］。而氧化应激是As［12－14］形成的关键，氧自由基可与细胞膜上的多聚不饱和脂肪酸反应，发生脂质过氧化，其过氧化产物丙二醛对细胞膜有很强的破坏作用，使其膜流动性和通透性发生改变，从而导致细胞功能损伤。同时超氧化物歧化酶，过氧化氢酶，硫氧还蛋白浓度和活性降低，进而对低密度脂蛋白氧化修饰形成氧化型低密度脂蛋白，后者通过多种途径促进单核巨噬细胞泡沫化的形成，从而促进As发展［15］。

3．2 ATM蛋白介导非apoE依赖性的脂蛋白运输 高密度脂蛋白（high density lipoprotein，HDL）是血浆中胆固醇含量最少的一种脂蛋白，其胆固醇含量一般约20%左右，是As的保护因子。其来源主要由富含三酰甘油的脂蛋白分解衍生而来或由细胞膜分解衍生而来或由肝脏和小肠合成，而肝脏合成 HDL颗粒主要含有载脂蛋白（apolipoprotein E，apoE）。apoE是可与apoE受体和LDL受体结合的配体，清除血清中的胆固醇，因此，缺乏aopE则会导致血液循环中富含胆固醇的物质积累，促进As病灶的形成。有证据证明apoE－／－小鼠As病变的发展与人类极其相似。

以apoE缺失背景小鼠为实验动物模型研究显示［16］，ATM＋／－突变选择性地增高apoE缺失鼠血浆胆固醇水平，并促进As的形成。而肝脏对乳糜微粒残粒的清除能力降低导致血浆乳糜微粒残粒水平增高是血浆胆固醇升高的主要原因。有研究证实，在apoE缺失时，LDL受体相关蛋白（LDLR－relative protein，LRP）在乳糜微粒残粒清除中起重要作用。Magoori等报道［17］，apoE和LRP－5双基因敲除鼠出现比apoE单基因敲除鼠更严重的高胆固醇血症，其中，血浆乳糜微粒残粒水平增高是小鼠血浆胆固醇水平增高的主要原因。而LRP－5单基因缺失鼠，血浆胆固醇水平未见明显增高。此结果显示LRP－5是apoE缺失时介导乳糜微粒残粒清除的重要途径。而研究证明乳糜微粒残粒亦是心血管疾病的重要危险因素。

3．3 ATM抗内皮损伤作用 血管内皮细胞并非稳态的被膜细胞，而具有很强的代谢活性，在机体环境中会受到各种各样的有害损伤，从而激活ATM。关于ATM激活机制尚不清楚，Bakkenist等［6］提出ATM的活化是通过DNA损伤而使细胞内生物大分子的磷酸化和ATM多聚体解聚而形成的。

目前对ATM致细胞修复的作用途径已经研究的相当明确。损伤的细胞能够通过各种途径使ATM激酶活性增加，磷酸化ATM激活P51而激活P21及GADD45控制DNA的修复，使细胞周期停留在G1／S控制点而对内皮细胞进行调控修复作用［18］。大量实验证明，在正常细胞内，ATM通过阻滞ATM下游因子包括Chk2（一种与酵母的Rad53和cds1具有同源性的激酶）、Hcds1、Mdm2等以达到修复细胞的目的［19］。G2M期为细胞的合成后期，主要合成各种蛋白酶类对合成DNA进行各种纠错修复，是维持细胞结构稳定的关键时期。正常细胞G2M期需要Cdc2与cyclinB构成复合体的作用，并且在这个复合体的构成中，Cdc2需要进行N端Tyr和Tyr脱磷酸化，脱磷酸化修饰后的Cdc2才具有活性并与cyclinB1构成有活性的复合体。任何影响Cdc2和cyclinB1的因素都将影响G2M期。Chk2、Chk1可以磷酸化Cdc25的Ser，从而干扰Cdc25对Cdc2 Tyr脱磷酸化，如此Cdc2因未脱磷酸化不具活性最终影响Cdc2与cyclinB1构成的活性复合体而引起G2M期阻滞；P53在G1期阻滞有着重要的作用，在维持G2M期阻滞也同样有重要作用［6］。

在ATM基因突变机体中，机体失去对于Ckh1和Ckh2的磷酸化作用，使损伤的DNA不能得到有效的修护，细胞遗传物质的改变使合成的蛋白质有所改变，细胞功能相应会造成损伤。而当损伤积累到一定程度时，细胞的分裂能力将会受到影响，使细胞死亡。血管内皮细胞不仅是循环血液与血管平滑肌细胞之间的机械屏障，而且是人体最大最重要的内分泌器官，由于它所具有的机械屏障作用，使它很容易受到体内外各种物理化学因素的损伤。而内皮细胞的高度分化能力使其DNA产生的损伤容易分裂到下一代子细胞，使损伤在细胞中形成积累，细胞的损伤相比其他细胞大。内皮细胞损伤而引发其内分泌功能失调在As早期形成和发展阶段的病理生理机制中起关键作用。

3．4 ATM抗内质网应激作用 内质网是广泛存在于除红细胞的其他所有细胞中的一种细胞器，未折叠蛋白反应（unfolded protein response，UPR）和内质网应激反应（endoplasmic reticulum stress，ERS）是机体内的一种自我保护性机制，保持内质网的稳态以保证细胞的存活，但持续或过度ERS则会引起细胞功能障碍。大量的实验证明ERS与As存在紧密的联系，ERS是细胞存活和死亡程序同时被激活的过程，当ERS过度激活时，下游凋亡信号分子就能促使细胞发生凋亡。Nakano等［20］通过实验证明ERS在内皮细胞凋亡方面发挥着重要作用，Caspase蛋白参与该过程。巨噬细胞对脂质的吞噬作用是As形成的一个重要因素，Zhou等［21］通过测量内膜巨噬细胞和进展型斑块中泡沫细胞UPR的标记蛋白GRP78以及磷酸化PERK，CHOP和TDAG51，提示ERS贯穿As进展的整个过程。同时，ERS参与平滑肌细胞的凋亡作用，Croons等［22］在体外培养平滑肌细胞时，给与ERS阻断剂放线菌酮能有效提高细胞的存活率。

在ATM－／－小鼠胸腺细胞和胸腺淋巴细胞内，ERS和UPR有显著的提高，He［23］等通过实验证明ATM能阻断衣霉素导致的ERS，其机制可能是ATM能阻断细胞的氧化应激性从而阻断细胞的ERS。

3．5 ATM的其他功能失调作用 ATM在维持机体的稳态中发挥着重要作用，控制着体内氧化还原物质的平衡，平衡细胞的修复与凋亡，影响机体的免疫功能和内分泌功能。大量临床病例证明AT患者的症状不仅仅体现在小脑共济失调、眼球血管扩张、舞蹈手足徐动症等，同时还具有免疫功能紊乱，内分泌失调。目前认为，免疫反应与内皮损伤及As的发生密切相关。Tang等［24］通过实验证明急性冠脉综合征患者体内存在效应性T细胞和调节性T细胞之间的失衡，免疫调节功能紊乱参与了动脉粥样斑块的发生发展过程。而在AT症患者体内血清中IgA及IgE明显减少，IgM代偿性增高，其机制可能是有B和T细胞免疫缺陷，周围淋巴细胞数减少有关。

近来很多研究表明，As的发生与很多的激素［26－27］有关，如胰岛素、甲状腺素、生长激素、肾上腺髓质和皮质激素、性激素等，内分泌的均衡与As有很大的相关性，而AT患者具有内分泌失调的症状。

4 展望

目前，As的治疗主要是阻止或延缓As形成的降低血脂药物。随着人们生活水平的提高，对As的治疗要求也不断提高，仅仅通过药物的长期使用来控制患者的血脂远远不能满足患者的需求。随着研究工作的深入开展，基因治疗技术逐渐在临床上得到应用和推广。而ATM是一个能控制机体稳态，与As有着密切的关系的正常基因。因此，深入研究ATM基因，不仅能从基因水平上阐明其与As发生、发展的关系，而且有可能探索出治疗As的新的途径。

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