金 晶，馮 燕，馮祎中

(1.浙江農(nóng)林大學(xué) 體育軍訓(xùn)部，浙江 杭州 311300；2.華東師范大學(xué) 體育與健康學(xué)院，上海 200241)

惡性體質(zhì)(cachexia)是一種逐漸被認(rèn)知的慢性病發(fā)生發(fā)展的疾病綜合體，包括慢性心力衰竭、慢性腎病、慢性阻塞性肺部、骨骼肌衰減征等[1]。惡性體質(zhì)不但引起財(cái)政和醫(yī)療的巨大負(fù)擔(dān)，有較多的報(bào)告顯示惡性體質(zhì)與身體質(zhì)量指數(shù)(body mass index，BMI)和骨骼肌丟失有高度相關(guān)性[2,3]，且增加個(gè)人致殘率甚至導(dǎo)致死亡[1]。Arthur[4]報(bào)告美國超過160 000惡性體質(zhì)的住院案例，惡性體質(zhì)人群住院時(shí)間中值為6天，平均消費(fèi)超過10 000美元/人次，而非惡性體質(zhì)住院者中值為3天，平均消費(fèi)為4 000美元/人次。古希臘名醫(yī)希波克拉底(公元前460-377年)描述心力衰竭病人寫到：肉體被分解并開始化作水，腹部充水、腿腳腫脹，肩膀、鎖骨、胸部和大腿被融化，這種病是致命的[5]。2009年德國諾貝爾文學(xué)獎(jiǎng)獲得者赫塔米勒同樣冷淡地提及：當(dāng)肉體逐漸從身體上消失，馱著骨架已成負(fù)擔(dān)，驅(qū)使你埋進(jìn)土地[6]。

毛細(xì)血管擴(kuò)張共濟(jì)失調(diào)(ataxia telangiectasia，AT)也是惡性體質(zhì)的一種，案例研究報(bào)告AT病人的身材矮小生長(zhǎng)停滯[7]、骨骼肌力下降[8]，毛細(xì)血管擴(kuò)張共濟(jì)失調(diào)突變(ataxia telangiectasia mutated，ATM)與骨骼肌蛋白質(zhì)合成有關(guān)[9]。盡管文獻(xiàn)對(duì)ATM與mTOR通路的氧化應(yīng)激[10]和DNA損傷[11]有所描述，但在ATM與蛋白質(zhì)合成的分子機(jī)制描述并不全面，如Ching JK[9]只研究ATM對(duì)IGF-1/PI3K/Akt通路的影響，Burnett PE[12]只針對(duì)研究ATM對(duì)mTOR信號(hào)通路下游信號(hào)分子的影響，相關(guān)研究都提示ATM通過干預(yù)蛋白質(zhì)合成呈現(xiàn)個(gè)體身材矮小、骨骼肌丟失等現(xiàn)象。本文擬通過對(duì)AT疾病和骨骼肌相關(guān)表型回顧，綜述ATM與相關(guān)分子的調(diào)控關(guān)系，系統(tǒng)描繪ATM阻礙骨骼肌蛋白質(zhì)合成的可能途徑。

1 AT疾病和ATM

1.1 AT的癥狀

1994年統(tǒng)計(jì)美國和英國地區(qū)的發(fā)病率評(píng)估在1/40 000—1/100 000，AT雜合型女性擁有很高比例的乳腺癌風(fēng)險(xiǎn)，攜帶者的頻率為0.5%～1.0%[13]，在美國高加索人群中比例高達(dá)2%[14]，現(xiàn)階段還沒有行之有效的治療手段。針對(duì)美國地區(qū)出生兒童進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，報(bào)告發(fā)病率在1/40 000～1/300 000，并且疾病表型發(fā)生于幼兒時(shí)期，尤其在2～5歲已開始[15]。AT疾病是進(jìn)程性的，隨著年齡增長(zhǎng)淋巴瘤和神經(jīng)惡化進(jìn)而增加死亡率和致殘率，平均預(yù)期壽命在25歲[16,17]。

在AT基因被定以前，所有的文獻(xiàn)都認(rèn)為AT病人有極高的小腦共濟(jì)失調(diào)和眼部及皮膚毛細(xì)血管擴(kuò)張的發(fā)生率(100%的案例)[18,19]。然而，在AT基因被定義之后，有很多文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)AT基因的病例沒有發(fā)生小腦共濟(jì)失調(diào)或眼部的毛細(xì)血管擴(kuò)張：Trimis[20]等報(bào)告6歲女孩遺傳學(xué)上被確認(rèn)為AT病人，但是沒有發(fā)生神經(jīng)系統(tǒng)的病變；Alterman[21]等研究?jī)尚置冒l(fā)現(xiàn)雖然有嚴(yán)重的細(xì)胞表型，但只存在輕微的神經(jīng)臨床表型；moin[22]等評(píng)定臨床和實(shí)驗(yàn)室的104名AT病人，發(fā)現(xiàn)所有病人都存在小腦的共濟(jì)失調(diào)，而眼球和眼部皮膚的毛細(xì)血管分別發(fā)生87和73人。

1.2 ATM的發(fā)現(xiàn)與定義

毛細(xì)血管擴(kuò)張共濟(jì)失調(diào)突變(ataxia telangiectasia mutated，ATM)是常染色體上隱性基因不穩(wěn)定發(fā)生突變形成以小腦共濟(jì)失調(diào)、免疫缺失、癌癥和呼吸系統(tǒng)易感染等特征的綜合癥[23]，稱為“A-T”(ataxia telangiectasia，毛細(xì)血管擴(kuò)張共濟(jì)失調(diào))。AT還叫作路易斯-巴爾二氏綜合癥，也經(jīng)常用艾琳娜博德和羅伯特塞奇威克，第一次被描述為家族性的退行性小腦失調(diào)癥狀[24]。ATM基因位點(diǎn)最早是由Gatti[25]等通過數(shù)理分析共分離統(tǒng)計(jì)定位于第11號(hào)染色體的q22.3-23.1，在隨后的七年，許多研究所和科研工作者不斷完善，最終由Savitsky[26]團(tuán)隊(duì)將其定義完成，它由66個(gè)外顯子(4個(gè)非編碼和62個(gè)編碼)跨越150kb的DNA組成。ATM是～350kDa的高分子蛋白激酶，屬于磷脂酰肌醇-3激酶相關(guān)蛋白激酶(phosphoinositidyl 3-kinase-related protein kinase，PIKK)家族成員[27]，認(rèn)為它在調(diào)控細(xì)胞循環(huán)和DNA損傷方面有重要作用[28,29]。

2 AT與生長(zhǎng)、骨骼肌和運(yùn)動(dòng)能力

2.1 AT與身高、體重

絕大多數(shù)AT患者都發(fā)現(xiàn)有生長(zhǎng)停滯和體重下降等特征[7,8,30-33]。研究報(bào)道AT病人的身高、體重以及身體質(zhì)量指數(shù)(body mass index，BMI)均顯著低于對(duì)照組[32,34]。Ehlayel[35]和Pommerening[8]等分別報(bào)告13名和25名AT病人與對(duì)照組比較，發(fā)現(xiàn)身高存在極其顯著性差異。澳大利亞地區(qū)的13名AT病人(年齡4～23歲，其中女性9人)結(jié)果顯示77%病人體型偏小(z score<-1)，且54%的病人體重不足[36]。Pommerening[8]等研究發(fā)現(xiàn)AT病人的體重和BMI極其顯著低于對(duì)照組，Schubert R[33]將19名AT患者(男性11人和女性8人，年齡為4～24歲)按年齡分為三組，A組≤12歲、B組12～18歲和C組>18歲。結(jié)果顯示A組的BMI為15.3 kg/m2，B組的病人顯示體重和生長(zhǎng)發(fā)育困難引起B(yǎng)MI下降到正常范圍內(nèi)的3%之前，C組出現(xiàn)進(jìn)一步下降的惡性變化，BMI盡然為12.7 kg/m2。與此結(jié)果相一致的研究還有英國地區(qū)70名AT病人的統(tǒng)計(jì)研究，54/70的病人出現(xiàn)極其偏瘦[30]；Kieslich M[31]團(tuán)隊(duì)對(duì)11名病人(8～26歲)進(jìn)行體重和BMI的分析結(jié)果均顯示是顯著低于對(duì)照組(P<0.05)；Schubert R[33]對(duì)19名AT病人盡管給予充足的營養(yǎng)條件，BMI仍然顯著下降。

另外，AT的動(dòng)物模型通過敲除ATM基因即ATM-/-小鼠個(gè)體，同樣也出現(xiàn)生長(zhǎng)延緩或停滯現(xiàn)象[37,38]。James KC團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)ATM敲除小鼠純合子具有小體型，而雜合子ATM+/-與野生型小鼠體重沒有差異性，而ATM-/-小鼠的體重是野生型的70%，與AT病人體重下降結(jié)論相一致[9]。

2.2 AT與骨骼肌及運(yùn)動(dòng)能力

骨骼肌是人體構(gòu)造的重要組成部分，是氨基酸合成蛋白質(zhì)的儲(chǔ)水庫[39]。厭食、脫水、惡性體質(zhì)和骨骼肌衰減征等引起骨骼肌丟失最常見的原因，造成肌肉進(jìn)程性的下降病理生理學(xué)的原因是復(fù)雜和多因素的，比如久坐不運(yùn)動(dòng)、疾病、衰老和營養(yǎng)狀況等都有因果聯(lián)系[40]。近期報(bào)告提示ATM與骨骼肌丟失存在很大的相關(guān)性，發(fā)生骨骼肌的丟失后進(jìn)而直接或間接影響個(gè)體的運(yùn)動(dòng)能力[7,8,34]。

2.2.1 AT與骨骼肌。研究報(bào)告許多疾病所構(gòu)成的惡性體質(zhì)(cachexia)都會(huì)造成骨骼肌質(zhì)量的大量丟失，進(jìn)而呈現(xiàn)個(gè)體運(yùn)動(dòng)能力受限和功能狀態(tài)的低下[1]。例如心力衰竭病人的臨床表現(xiàn)為心肌衰竭，限制其運(yùn)動(dòng)能力，骨骼肌質(zhì)量和力量下降從而影響其運(yùn)動(dòng)能力[2]；Martin L[3]等研究證明所有癌癥病人均出現(xiàn)體重下降現(xiàn)象，肌肉指數(shù)下降和肌肉衰減的癥狀；AT患病個(gè)體無論是個(gè)案研究還是群體調(diào)查都發(fā)現(xiàn)體重和骨骼肌力下降及肌肉衰減等癥狀[7,8]。

Da silva R[41]在研究AT病人時(shí)發(fā)現(xiàn)有很高比例患者出現(xiàn)降低瘦體重(Fat Free-mass，F(xiàn)FM)現(xiàn)象，Pommerening H[8]同樣也發(fā)現(xiàn)FFM在AT人群中含量顯著低于對(duì)照組，并且認(rèn)為AT病人的脂類和脂肪組織沒有發(fā)生變化，也就是說體重下降主要是減少骨骼肌質(zhì)量。Heil JA報(bào)告4名來自兩個(gè)家庭的成年AT病人，患有脊椎肌肉萎縮癥并伴有股四頭肌的萎縮；Dunn HG[42]針對(duì)加拿大AT病人進(jìn)行尸檢，發(fā)現(xiàn)骨骼肌出現(xiàn)輕微的萎縮現(xiàn)象。利用液壓測(cè)力計(jì)測(cè)定AT病人的力量顯著低于對(duì)照組[8]，F(xiàn)elix E[32]發(fā)現(xiàn)病人的初始呼吸肌的力量和肺活量顯著低于對(duì)照組，經(jīng)過24周的呼吸肌訓(xùn)練，有效的加強(qiáng)肺活量和呼吸肌力量，極大改善AT病人的生活質(zhì)量。

2.2.2 AT與運(yùn)動(dòng)能力。英國70人案例研究發(fā)現(xiàn)，43/68大部分患者報(bào)告3歲之前發(fā)生運(yùn)動(dòng)失調(diào)癥狀[30]，另一項(xiàng)最新的個(gè)案研究顯示病人從34周齡出生、6月坐、11月站立、14月行走都是正常的，而從兩歲開始行走能力發(fā)生改變，需要外力的支撐、身體開始呈現(xiàn)不穩(wěn)定狀態(tài)及頻繁摔倒等現(xiàn)象出現(xiàn)[7]，與gatti RA[43]報(bào)告運(yùn)動(dòng)失調(diào)發(fā)生在2～3歲吻合。Teive HA[14]等在研究AT的綜述中表述，5～10歲出現(xiàn)更為嚴(yán)重的神經(jīng)性病變導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)能力的缺失、徐動(dòng)癥的發(fā)生。Felipe RB[7]等報(bào)告的個(gè)案在6歲時(shí)出現(xiàn)進(jìn)階式的運(yùn)動(dòng)失調(diào)和顫抖，7歲時(shí)完全依靠外界控制站立，四肢末梢開始顫抖，只能依靠某一姿勢(shì)控制身體；較早的文獻(xiàn)也報(bào)告AT病人手臂出現(xiàn)顫抖現(xiàn)象而且精準(zhǔn)度下降，行走困難有搖晃狀態(tài)，站立和坐姿都顯示發(fā)軀干彎曲等現(xiàn)象[42]。Woods CG[30]統(tǒng)計(jì)研究認(rèn)為病人在8歲失去書寫能力，平均10歲左右失去行走能力。年齡對(duì)于AT病人的行走能力有很大相關(guān)性，行走組(gait preserved)和輪椅組(wheelchair-bound)之間年齡存在顯著差異；AT病人的去脂體重和體細(xì)胞質(zhì)量極其顯著低于對(duì)照組；維生素D的含量AT病人顯著低于對(duì)照組，有趣的發(fā)現(xiàn)所有缺乏維生素D的病人都是大于12歲并且失去行走能力全部為輪椅組的[8]。

3 抗阻運(yùn)動(dòng)誘導(dǎo)骨骼肌肥大及其合成機(jī)制

3.1 抗阻運(yùn)動(dòng)誘導(dǎo)骨骼肌肥大及IGF-1的重新分配

抗阻運(yùn)動(dòng)是肌肉受到劇烈收縮進(jìn)而刺激骨骼肌肥大的有效方式[44,45]。Luciano TF[44]構(gòu)建3種不同的抗阻模型對(duì)比各方案中大鼠骨骼肌橫截面積、質(zhì)量和蛋白質(zhì)合成等，結(jié)果顯示所有抗阻模型經(jīng)過訓(xùn)練后骨骼肌的體積得到顯著提升；Tang JE[46]招募普通青年男子通過12周的抗阻訓(xùn)練后，骨骼肌活檢前后比較，發(fā)現(xiàn)骨骼肌的橫截面積顯著增加；Salvadego D[47]則通過長(zhǎng)期從事健美的運(yùn)動(dòng)員與對(duì)照組進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果顯示股四頭肌的橫截面積和體積顯著大于對(duì)照組(P<0.05)；Ogasawara[45]等采用動(dòng)物模型通過電刺激模擬抗阻運(yùn)動(dòng)，研究發(fā)現(xiàn)腓腸肌的凈含量和相對(duì)體重比值，單次急性刺激后均沒有變化，而通過12次和18次訓(xùn)練后分別增加8.6%和10.7%。

普遍認(rèn)為抗阻運(yùn)動(dòng)是通過IGF-1/PI3K/Akt通路激活mTOR，繼而促進(jìn)骨骼肌的蛋白質(zhì)合成[48]。Arnarson A[49]觀察全身骨骼肌中胰島素樣生長(zhǎng)因子(insulin-like growth factor-1，IGF-1)的分布情況，發(fā)現(xiàn)IGF-1經(jīng)過12周抗阻運(yùn)動(dòng)干預(yù)后有很強(qiáng)的變化，下調(diào)血清中總IGF-1的含量。血清IGF1經(jīng)過抗阻運(yùn)動(dòng)后實(shí)驗(yàn)報(bào)告下調(diào)或不變：Mangine[50]對(duì)比高強(qiáng)度與中等強(qiáng)度抗阻運(yùn)動(dòng)，研究結(jié)果顯示高強(qiáng)度組的血清IGF-1顯著下調(diào)；另外的研究認(rèn)為抗阻運(yùn)動(dòng)后未造成血清IGF-1的改變[51,52]。相對(duì)于血清的變化，骨骼肌中的IGF-1顯著上調(diào)，Kido[51]實(shí)驗(yàn)通過急性抗阻運(yùn)動(dòng)后，測(cè)試1h和3h后骨骼肌的IGF-1發(fā)現(xiàn)顯著上調(diào)；相似的另一項(xiàng)研究檢測(cè)骨骼肌IGF-1濃度在1h和6h后上調(diào)[52]?？棺柽\(yùn)動(dòng)干預(yù)實(shí)驗(yàn)，總體血清IGF-1始終保持不變或下調(diào)，而骨骼肌中IGF-1上調(diào)，推測(cè)抗阻運(yùn)動(dòng)誘導(dǎo)骨骼肌中IGF-1在全身的重新分配，特別是骨骼肌中高表達(dá)的IGF-1參與骨骼肌蛋白質(zhì)合成過程[49,50]。

3.2 骨骼肌蛋白質(zhì)合成經(jīng)典機(jī)制

運(yùn)動(dòng)誘導(dǎo)骨骼肌生理性適應(yīng)肥大機(jī)制涉及到多種信號(hào)傳導(dǎo)途徑，其中雷帕霉素靶體蛋白(mammalian target of rapamycin，mTOR)信號(hào)傳導(dǎo)通路目前備受關(guān)注[53]。mTOR是非典型絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶，在進(jìn)化上高度保守，其分子量大小是289kDa，是磷脂酰肌醇激酶相關(guān)激酶PIKK蛋白家族成員[54]。mTOR具有廣泛的生物學(xué)功能，可整合營養(yǎng)、能量及生長(zhǎng)因子等多種細(xì)胞外信號(hào)，參與基因轉(zhuǎn)錄、蛋白質(zhì)翻譯、核糖體合成等過程，在調(diào)控蛋白質(zhì)合成、細(xì)胞增殖、凋亡、自噬等細(xì)胞生長(zhǎng)過程中發(fā)揮及其重要的作用[54]。

大量的文獻(xiàn)證明mTOR在調(diào)控蛋白質(zhì)合成和骨骼肌細(xì)胞增長(zhǎng)/肥大過程中起到關(guān)鍵作用[53,55,56]。以mTOR為關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)本文將mTOR上游信號(hào)通路(IGF-1/PI3K/Akt通路和TSC1/2通路)和下游信號(hào)通路(4E-BP1/eIF4E通路和S6K1通路)分別進(jìn)行詳述。

圖1 導(dǎo)致骨骼肌細(xì)胞肥大的主要胞內(nèi)信號(hào)傳導(dǎo)途徑(綜合參考文獻(xiàn)[57-59]中的各圖重新繪制)

3.2.1 IGF-1/PI3K/Akt通路。在IGF-1介導(dǎo)的通路中發(fā)生信號(hào)級(jí)聯(lián)放大，這種放大反應(yīng)起初發(fā)生在細(xì)胞膜上，由IGF-1與IGF-1受體(insulin-like growth factor-1 receptor，IGF-1R)相結(jié)合，可引起IGF1R的磷酸化。IGF1R自身磷酸化后，激活細(xì)胞內(nèi)酪氨酸激酶進(jìn)而促使下一靶點(diǎn)蛋白胰島素受體底物(IRS)的磷酸化[48,60](圖1，途徑<1>)。該反應(yīng)引起IRS的大量募集，IRS是IGF1R和PI3K(磷脂酰肌醇-3-激酶)之間的銜接蛋白，其磷酸化能進(jìn)一步激活PI3K[9](圖1，途徑<2>)。被激活的PI3K可以催化位于細(xì)胞膜磷脂雙分子層內(nèi)層上的PI(4,5)P2肌醇環(huán)3位上繼續(xù)添加一個(gè)磷酸基團(tuán)形成PI(3,4,5)P3(圖1，途徑<3>)。骨骼肌細(xì)胞膜的內(nèi)膜上一旦有PIP3的形成，呈未激活態(tài)的Akt就會(huì)大量被募集到胞漿內(nèi)膜上，并使其被激活[61]。Akt又稱為PKB(蛋白激酶B)是一類絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶，完整的蛋白質(zhì)由三大部分所構(gòu)成：氨基端的pleckstrin homology(簡(jiǎn)稱PH)區(qū)、中間的激酶(kinase)區(qū)和羧基端的疏水作用(簡(jiǎn)稱HM)區(qū)。在未激活態(tài)/原始態(tài)的三級(jí)構(gòu)象中，Akt的PH區(qū)和HM區(qū)距離相對(duì)較近，當(dāng)其PH區(qū)結(jié)合到膜內(nèi)層的PIP3上后，整個(gè)蛋白質(zhì)分子呈現(xiàn)平鋪拉伸構(gòu)象，促使激酶區(qū)與HM區(qū)得到充分暴露(圖1，途徑<4>)。隨后，Akt上兩個(gè)氨基酸位點(diǎn)：激酶區(qū)上的蘇氨酸308(圖1，途徑<5>)和羧基端的HM區(qū)上的絲氨酸473均被磷酸化(圖1，途徑<6>)，從而使Akt完全被激活，最終通過IGF-1/PI3K/Akt通路使mTOR進(jìn)行磷酸化促其活性被激活[48](圖1，途徑<7>)。

3.2.2 TSC1/2通路。在哺乳動(dòng)物細(xì)胞中mTOR可以分為兩種復(fù)合物mTORC1和mTORC2。兩種復(fù)合物之間的區(qū)別在于組成的亞結(jié)構(gòu)不同，mTORC1包含raptor(regulatory associated protein of mTOR)、GβL(G-proteinβ-subunit-like protein)、Rheb(ras homolog enriched in brain)和mTOR(圖1，途徑①)，而mTORC2含有rictor(rapamycin-insensitive companion of mTOR)和其他組成(圖1，途徑②)。兩者都有特定而且唯一的下游靶蛋白，如mTORC1只對(duì)4E-BP1和S6K有磷酸化作用，而mTORC2只磷酸化蛋白激酶Cα和Akt[62]。Raptor結(jié)合于4E-BP1和S6K的區(qū)域作為mTOR信號(hào)基序，募集mTORC1復(fù)合物，通過mTOR進(jìn)行磷酸化作用。因此可以認(rèn)為raptor是緊密連接mTOR與其底物的銜接分子[57]。Rheb是GTP的激酶(GTPase)，其結(jié)合GDP或GTP決定mTOR是否被激活，與GTP結(jié)合時(shí)對(duì)mTOR進(jìn)行激活，與之相反，形成Rheb-GDP復(fù)合物時(shí)則抑制mTOR活性。mTOR復(fù)合體與GDP/GTP結(jié)合取決于GTPase 激活蛋白(GAP)tuberin(又稱為TSC2)和另一種復(fù)合蛋白hamartin(TSC1)[63](圖1，途徑③)。研究發(fā)現(xiàn)，在AMPK的參與下TSC1和TSC2形成復(fù)合體TSC1/2可調(diào)控Rheb與GTP結(jié)合向與GDP結(jié)合方向轉(zhuǎn)化，促使Rheb與GDP結(jié)合從而使mTOR活性抑制(圖1，途徑④)；而磷酸化的Akt可以抑制TSC1/2復(fù)合體的活性，進(jìn)而向Rheb與GTP結(jié)合的方向轉(zhuǎn)變從而激活mTOR，增強(qiáng)其信號(hào)通路[57]。

3.2.3 4EBP1/eIF4E通路。mTOR的促合成通路依賴于下游信號(hào)4EBP1磷酸化后調(diào)節(jié)eIF4E的活性，用來提高翻譯效率，進(jìn)而促進(jìn)翻譯的起始過程和延伸過程，增加骨骼肌蛋白合成[64](圖2)。

eIF4E是翻譯啟始因子，也是mTOR下游通路的重要蛋白，mRNA翻譯的啟始階段是整個(gè)翻譯過程的關(guān)鍵部分?；罨膍TOR蛋白中含有的raptor結(jié)構(gòu)可以直接/間接的方式結(jié)合TOR信號(hào)基序的4EBP1的C端，使其4EBP1磷酸化[65]。這個(gè)過程中eIF4E首先在5’mRNA末端與m7GTP的cap結(jié)構(gòu)結(jié)合，eIF4E還與其他多種亞結(jié)構(gòu)結(jié)合(如eIF4A和eIF4G)形成復(fù)合體，進(jìn)而與40S核糖體結(jié)合發(fā)揮其作用[65]。4EBP1和eIF4G均能與eIF4E相結(jié)合而且反應(yīng)發(fā)生是在相同部位，兩者競(jìng)爭(zhēng)同一底物即eIF4E是它們共同的結(jié)合靶點(diǎn)。mTOR至少可以磷酸化4EBP1的Thr37和Thr46兩個(gè)位點(diǎn)[57]，4EBP1通過磷酸化水平的高低來調(diào)控與eIF4E的結(jié)合情況，當(dāng)4EBP1不被mTOR磷酸化時(shí)，低磷酸化狀態(tài)的4EBP1與eIF4E具有較高的親和力，4EBP1就與eIF4E結(jié)合；而當(dāng)4EBP1被mTOR磷酸化后抑制它們結(jié)合(圖1，途徑㈠)，處于較高磷酸化狀態(tài)時(shí)降低了相互之間的親和力則釋放出eIF4E[59](圖1，途徑㈡)，eIF4G則搶占作用靶點(diǎn)與eIF4E結(jié)合(圖1，途徑㈢)。eIF4E和eIF4G結(jié)合并與其他蛋白共同形成復(fù)合體和40S共同編碼mRNA，最終促進(jìn)骨骼肌中蛋白質(zhì)的合成[58](圖1，途徑㈣)。

3.2.4 S6K1通路。mTOR的促合成效應(yīng)除了4EBP1/eIF4E通路以外還需要通過S6K1磷酸化來實(shí)現(xiàn)。mTOR的下游信號(hào)S6K1磷酸化后，能促使5’TOPmRNA翻譯，提高mRNA的翻譯能力[66](圖2)。

整個(gè)啟動(dòng)復(fù)合物結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，主要由3個(gè)核心部分組成(圖2)：①eIF4E，結(jié)合于m7GTP(7-甲基-GTP)5’覆蓋的mRNA，促進(jìn)復(fù)合物與核糖體一起裝配；②分子腳手架eIF4G，在啟動(dòng)子和40S核糖體亞結(jié)構(gòu)之上的元件；③ATP依賴的RNA解旋酶eIF4A[67]。4E-BP1和S6K1是mTOR共同的磷酸化靶點(diǎn)，通過對(duì)下游的調(diào)控結(jié)合完成蛋白質(zhì)合成。

通常情況下S6K1是附著在eIF3復(fù)合物上的，與mTOR/raptor共同結(jié)合于復(fù)合物上。在生長(zhǎng)因子、營養(yǎng)物質(zhì)等條件的作用下，mTOR激活后會(huì)使得S6K1上的Thr389磷酸化(圖1，途徑Ⅰ)，磷酸化的S6K1隨即就與eIF3復(fù)合物脫離。PDK1雖然不是復(fù)合物的一部分，但是它能與脫離的Thr389磷酸化的S6K1相互反應(yīng)，催化作用發(fā)生下再次磷酸化S6K1的Thr229[59]。激活態(tài)的S6K1進(jìn)一步磷酸化40S和eIF4B，一方面S6K1直接磷酸化40S核糖體蛋白S6[65]；另一方面磷酸化后的eIF4B被募集到eIF3(圖1，途徑II)，最終形成復(fù)合體發(fā)揮編碼mRNA的作用[59](圖1，途徑III)。

圖2 mTOR下游特色效應(yīng)器(4E-BP1和S6K1)的反應(yīng)機(jī)制[59]

4 ATM影響蛋白質(zhì)合成的相關(guān)分子機(jī)制

4.1 AT病人與IGF-1

在研究AT病人的血清指標(biāo)發(fā)現(xiàn)大部分個(gè)體的胰島素樣生長(zhǎng)因子-1(Insulin-like growth factor-1，IGF-1)含量普遍偏低，認(rèn)為IGF-1及其相關(guān)蛋白可能是影響生長(zhǎng)狀況和體重下降的原因[31, 33]。Schubert R[33]測(cè)得9/16病人的IGF-1含量低于同齡對(duì)照的前3%，而且13/16病人的IGFBP-3(它是IGF-1主要結(jié)合蛋白)濃度顯著較低。Voss S[68]對(duì)24名患者進(jìn)行IGF-1的測(cè)定，發(fā)現(xiàn)其中10位(41.7%)的濃度低于同齡前3%，Kieslich M[31]也報(bào)告6名病人的含量低于前3%。Pommerening H[8]對(duì)激素指標(biāo)進(jìn)行測(cè)定，結(jié)果顯示IGF-1、皮質(zhì)醇和脫氫表雄酮顯著低于對(duì)照組。從AT病人獲得的成纖維細(xì)胞進(jìn)行培養(yǎng)，IGF-1-sCLU(secretory clusterin)蛋白水平顯著低于對(duì)照組，推測(cè)是由于IGF-1含量偏低造成這種現(xiàn)象[69]。

4.2 ATM與胰島素/IGF-1刺激下的Akt磷酸化

Akt和ATM基因敲除模型小鼠顯示如生長(zhǎng)停滯、不育癥、免疫系統(tǒng)缺陷和胰島素抵抗等相似的表型[37,70]。一方面，磷酸化的Akt通過IGF-1/PI3K/Akt通路使mTOR進(jìn)行磷酸化促其活性被激活[48]，另一方面，磷酸化的Akt可以抑制TSC1/2復(fù)合體的活性，進(jìn)而促進(jìn)Rheb與GTP結(jié)合的方向轉(zhuǎn)變從而激活mTOR[57]，因此Akt的激活對(duì)于骨骼肌蛋白質(zhì)合成至關(guān)重要。

ATM蛋白含量與細(xì)胞中Akt磷酸化水平在正常情況下并沒有相關(guān)性，當(dāng)受到胰島素/IGF-1等條件的刺激下ATM的缺失直接影響Akt磷酸化[9,71,72]。Ching JK[9]利用10nM的IGF-1對(duì)比目魚肌細(xì)胞和C2C12肌管進(jìn)行20min的刺激，發(fā)現(xiàn)ATM KD的C2C12肌管顯著下調(diào)Akt的S473/T308磷酸化水平；對(duì)比于ATM+/+小鼠的比目魚肌細(xì)胞，ATM+/-的Akt S473/T308磷酸化水平發(fā)生明顯的阻礙作用，進(jìn)一步檢測(cè)p-mTOR蛋白含量也觀測(cè)到其顯著下調(diào)，而總體mTOR沒有變化；Ching JK[72]的另一項(xiàng)研究利用2mU/ml的胰島素30min的刺激下，比目魚肌中(ATM+/+和ATM-/-)兩種基因型之間Akt的磷酸化沒有差異性，而脛骨前肌的純合型阻礙Akt兩位點(diǎn)S473/T308磷酸化相較于野生型(P<0.05)。同樣的Jeong[71]利用C2C12 ATM shRNA在100nM胰島素的刺激下，直接阻礙Akt的磷酸化；Hresko RC[48]和Viniegra JG[73]對(duì)Cos細(xì)胞的ATM+/+和ATM KD進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)Akt S473的磷酸化在野生型中表達(dá)明顯升高，AT病人(GM08931)和KO小鼠獲得的細(xì)胞系在胰島素的刺激下抑制Akt的S473磷酸化作用[73]；小鼠的胚胎成纖維細(xì)胞模型ATM+/+和ATM-/-，也證明了ATM的缺失對(duì)Akt S473的磷酸化作用[74]。

KU55933是ATM的抑制劑，阻礙胰島素刺激的Akt的磷酸化。Halaby MJ利用KU55933抑制小鼠L6肌細(xì)胞，抑制Akt的磷酸化[74]；Jeong利用1μM的KU55933分別對(duì)L6肌管、C2C12、比目魚肌和RD(分化后的橫紋肌肉瘤)細(xì)胞進(jìn)行干預(yù)，發(fā)現(xiàn)C2C12和RD細(xì)胞中抑制ATM使得Akt的S473磷酸化有明顯的下調(diào)作用，L6肌管細(xì)胞在1μM KU55933+100nm/25nm的胰島素都沒有對(duì)Akt磷酸化有影響[71]。過量表達(dá)的ATM促進(jìn)野生型誘導(dǎo)S473的磷酸化，但在ATM KD型中沒有變化，Akt的T308磷酸化也沒有差異性;另一種方式通過siRNA技術(shù)外源性感染細(xì)胞抑制ATM的表達(dá)，結(jié)果顯示顯著下調(diào)S473的磷酸化[73]。綜上所述，ATM被抑制/缺失則下調(diào)Akt的磷酸化，而當(dāng)過量表達(dá)時(shí)上調(diào)其磷酸化水平，因此認(rèn)為ATM在胰島素/IGF-1的刺激下正調(diào)控Akt的磷酸化水平，特別是S473磷酸化水平。

4.3 ATM與Akt的上游信號(hào)通路

4.3.1 ATM與IGF-1R。IGF-1R是IGF-1的受體，是酪氨酸激酶的跨膜受體幾乎所有組織中都表達(dá)，調(diào)控細(xì)胞的生長(zhǎng)、分化、轉(zhuǎn)化和凋亡有重要作用[75]。IGF-1R基因缺失也會(huì)造成體重下降，IGF-1R-/-小鼠的體量與野生型比較下降45%，出生后的模型鼠多個(gè)器官異常并導(dǎo)致死亡，另外IGF-1R-/-的小鼠胚胎時(shí)期普遍發(fā)生器官和骨骼肌的發(fā)育不良[76]；另外兩項(xiàng)細(xì)胞實(shí)驗(yàn)都認(rèn)為ATM對(duì)IGF-1/IGF-1R有影響，Luo X[69]從AT病人獲得的成纖維細(xì)胞進(jìn)行細(xì)胞培養(yǎng)，發(fā)現(xiàn)突變細(xì)胞的IGF-1-sCLU(secretory clusterin)水平顯著低于對(duì)照組，認(rèn)為ATM缺失誘導(dǎo)IGF-1含量偏低造成這種現(xiàn)象，Goetz EM[77]將正常細(xì)胞暴露于DNA損害元件時(shí)發(fā)現(xiàn)提升IGF-1的表達(dá)量，進(jìn)而激活I(lǐng)GF-1R通路和sCLU，然而ATM缺失的細(xì)胞不能誘導(dǎo)IGF-1R的表達(dá)。

Peretz S[78]在研究AT細(xì)胞時(shí)發(fā)現(xiàn)與雜合型/野生型相比，IGF-1R處于較低水平(P<0.05)。為了探尋ATM與IGF-1R的直接關(guān)系，轉(zhuǎn)染完整ATM全片段的cDNA到AT突變細(xì)胞中[79]，8個(gè)細(xì)胞GM5849通過實(shí)驗(yàn)技術(shù)Western blot驗(yàn)證cDNA全部成功轉(zhuǎn)染，證明有完整表達(dá)的ATM cDNA能提高IGF-1R的表達(dá)量[78]。緊接著，在AT細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)IGF-1R啟動(dòng)子活性下降，為了證明轉(zhuǎn)染ATM cDNA的細(xì)胞中IGF-1R啟動(dòng)子區(qū)域活性也增強(qiáng)，將該區(qū)域用熒光素酶受體轉(zhuǎn)染[80]，結(jié)果顯示轉(zhuǎn)染后的ATM cDNA結(jié)合細(xì)胞中啟動(dòng)子的活性是ATM突變細(xì)胞的4倍；另一個(gè)實(shí)驗(yàn)利用ATM突變(GM3487)和父母雜合型(GM3489)獲得的成纖維細(xì)胞進(jìn)行啟動(dòng)子區(qū)域的熒光素酶轉(zhuǎn)染，結(jié)果也證實(shí)了ATM+/-的啟動(dòng)子活性表達(dá)量顯著高于ATM-/-[78]。Peretz S[78]利用轉(zhuǎn)載體的轉(zhuǎn)染到野生型成纖維細(xì)胞系中，與ATM蛋白的亮氨酸拉鏈結(jié)構(gòu)相結(jié)合，抑制ATM蛋白的產(chǎn)生，結(jié)果證明ATM受到抑制后下調(diào)IGF-1R的表達(dá)量。

4.3.2 ATM與IRS-1和PI3K。IRS-1是IGF-1R的靶點(diǎn)，可作為IGF-1R和PI3K的銜接蛋白。從同一樣本的不同位點(diǎn)中的p-IRS Y612和總IRS分別進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果顯示C2C12細(xì)胞的野生型和雜合型在添加IGF-1刺激情況下p-IRS和總IRS-1都有顯著性差異提高，胰島素刺激下P-IRS-1/IRS-1的比值在雜合型中表達(dá)偏低，未達(dá)到統(tǒng)計(jì)意義[9]。胰島素信號(hào)通路會(huì)被氨基末端激酶(Jun N-terminal kinase，JNK)誘導(dǎo)的IRS-1 S307的磷酸化所阻斷，在ATM-/-動(dòng)脈細(xì)胞發(fā)現(xiàn)JNK/總JNK和IRS-1 S307磷酸化/總IRS-1顯著高于ATM+/-和ATM+/+，ATM缺失小鼠的脂肪組織、骨骼肌細(xì)胞以及肝臟都存在高活性的JNK，激活I(lǐng)RS-1 S307磷酸化阻礙胰島素信號(hào)通路[81]。

Ching JK[9]利用激酶反應(yīng)試劑盒檢測(cè)比目魚肌中野生型和雜合型的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 JG[73]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)一步探究是否通過抑制PI3K能夠阻礙Akt的磷酸化，與預(yù)期的相一致，當(dāng)加入PI3K的各種抑制劑(200nM渥曼青霉素、2μMLY294002、2nM咖啡因)完全阻礙S473的磷酸化，也就是說ATM-PI3K-Akt通路中通過抑制PI3K，直接阻礙Akt的磷酸化進(jìn)行。

4.4 ATM與Akt的下游信號(hào)分子S6K1和4E-BP1

在活體雷帕霉素影響的研究中編碼翻譯過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 JK進(jìn)行3個(gè)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)：①IGF-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，通過阻礙胰島素通路中的PI3K，進(jìn)而抑制通路進(jìn)程來降低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[9]。Burnett PE[12]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 DG[82]在研究胰島素刺激下蛋白質(zhì)合成通路過程中，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 X[83]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。

5 ATM阻礙蛋白質(zhì)合成的路徑假設(shè)

AT疾病同樣被歸類于惡性體質(zhì)，會(huì)呈現(xiàn)出骨骼肌合成受阻和肌力下降等典型表征[3]，雖然AT疾病在世界范圍內(nèi)的發(fā)病率處于1/44 000—1/100 000之間并不高[14]，但是自1964年Dunn首次發(fā)現(xiàn)至今[42]，科學(xué)界對(duì)其仍然給予極大的熱情[7]。與其他惡性體質(zhì)的疾病不同，AT疾病是缺少單個(gè)蛋白(ATM)的表達(dá)[25]，導(dǎo)致整體骨骼肌丟失和運(yùn)動(dòng)能力等表型下降，因此探索AT疾病與骨骼肌蛋白質(zhì)合成的關(guān)系從實(shí)驗(yàn)的角度來看，就大大提高可行性和可信度。

宏觀視域下，AT疾病與骨骼肌的關(guān)系在正文部分較為詳細(xì)的論述，AT患者的身高、體重和BMI顯著低于對(duì)照組，骨骼肌的體積、橫截面和肌力顯著下降，并且隨年齡增長(zhǎng)而漸進(jìn)式加劇骨骼肌各項(xiàng)表征下降進(jìn)而影響行走、站立等運(yùn)動(dòng)能力[8, 15, 35]。微觀視域下，骨骼肌蛋白質(zhì)mTOR通路是蛋白質(zhì)合成的主要信號(hào)通路，本文梳理ATM與蛋白質(zhì)合成mTOR通路中的關(guān)鍵分子的相關(guān)性，而且所有的結(jié)果一致認(rèn)為ATM阻礙相關(guān)分子的蛋白質(zhì)合成(即負(fù)向調(diào)控合成)[9]，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(通過下調(diào)Y612或上調(diào)S307)→下調(diào)PI3K→下調(diào)Akt(通過下調(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。

圖3 ATM阻礙骨骼肌蛋白質(zhì)合成的路徑假設(shè)

不同肌纖維對(duì)胰島素刺激下的ATM的作用有顯著性不同(脛骨前肌的Ser473磷酸化，而比目魚肌未發(fā)生)[72]，而且還發(fā)現(xiàn)脛骨前肌的ATM蛋白水平是比目魚肌中的10倍，表明ATM更傾向于快肌(脛骨前肌vs比目魚肌)[9]?？棺柽\(yùn)動(dòng)又是提升骨骼肌中IGF-1的方式，有氧運(yùn)動(dòng)并未發(fā)現(xiàn)能促進(jìn)IGF-1的分泌[51]，另一項(xiàng)研究證明AT病人經(jīng)過呼吸肌的鍛煉，力量得到顯著提升[32]?？棺栌?xùn)練對(duì)ATM蛋白缺失的個(gè)體有正向調(diào)控，并且提示可作為改善AT疾病病況和提升生活質(zhì)量的非藥物手段，因此，需要有更多的動(dòng)物活體實(shí)驗(yàn)通過抗阻運(yùn)動(dòng)的干預(yù)，探索干預(yù)后AT疾病表征和骨骼肌蛋白質(zhì)合成中ATM蛋白的有益作用。