ATM基因敲除通过钙信号调控增强人尿液干细胞分化骨骼肌细胞的收缩功能

为解析罕见病共济失调毛细血管扩张症(A-T)的肌肉功能障碍机制，研究人员利用CRISPR/Cas9技术构建ATM敲除的尿液干细胞(USCs)模型，发现ATM缺失导致线粒体钙摄取缺陷和胞质钙释放增加，进而加速分化骨骼肌细胞(USC-SkMCs)的收缩动力学，论文发表于《Cell Death Discovery》首次揭示ATM通过非神经元途径直接调控肌肉功能的病理机制，为A-T治疗提供新靶点。

　　

共济失调毛细血管扩张症(A-T)是一种由ATM基因突变引发的罕见神经退行性疾病，患者表现为进行性小脑退化、免疫缺陷和肌肉协调障碍。传统观点认为其肌肉症状源于神经支配异常，但越来越多的证据提示肌肉细胞自身可能存在内在缺陷。然而，由于缺乏合适的疾病模型，ATM蛋白在肌肉组织中的直接作用机制始终成谜。

为解决这一科学难题，意大利研究团队创新性地利用尿液干细胞(USCs)构建疾病模型。USCs具有易获取、多向分化潜能和伦理优势，尤其适合儿科罕见病研究。研究人员通过CRISPR/Cas9技术敲除健康供体USCs的ATM基因，成功获得ATM-KO细胞系，并诱导分化为骨骼肌细胞(USC-SkMCs)，系统评估了ATM缺失对细胞周期、DNA修复、钙信号和肌肉收缩的影响。

研究采用以下关键技术：1) CRISPR/Cas9基因编辑构建ATM-KO USCs；2) 慢病毒载体介导MyoD诱导肌源性分化；3) 荧光探针(Fura-2/mt-fura-2.3)实时监测胞质和线粒体Ca²⁺动态；4) 胶原盘收缩实验量化肌细胞功能；5) 彗星实验评估UVB诱导的DNA损伤修复能力。

??USCs knock-out for ATM retain stem cell properties??
通过免疫荧光和Western blot验证ATM蛋白完全缺失，但KO细胞仍表达OCT4、SOX2等干性标志物，证实基因编辑未影响USCs的基本特性。

??USCs-ATM-KO showed altered cell cycle, apoptosis and mitochondrial dysfunction??
ATM缺失导致G2/S期阻滞和UVB损伤后修复缺陷（彗星实验显示尾DNA增加50%），线粒体活性氧(ROS)水平显著升高，与A-T患者细胞表型一致。

??USCs-ATM-KO showed altered calcium homoeostasis??
ATP刺激下，KO细胞胞质Ca²⁺瞬变幅度增加40%（Fura-2检测），而线粒体Ca²⁺摄取减少30%（mt-fura-2.3检测）。ER探针GAP3证实内质网钙库容量增加，但线粒体钙单向转运体(MCU)表达下降40%，揭示钙信号紊乱的分子基础。

??USCs-ATM-KO can be efficiently differentiated into skeletal muscle cells??
ATM-KO USCs能正常分化为多核肌管，但早期肌源性因子Myf5和Mef2C表达异常增高，提示分化进程延迟。

??USC-SkMCs-ATM-KO showed altered calcium homoeostasis??
分化后肌细胞保留钙信号异常特征：SOCE（钙库操纵性钙内流）增强1.5倍，PMCA（质膜钙泵）表达降低，加剧胞质钙超载。

??USC-SkMCs-ATM-KO showed impaired contraction kinetic??
最关键的发现是：乙酰胆碱刺激下，ATM-KO肌细胞收缩启动时间较对照组提前4小时（20h vs 24h），收缩幅度降低25%，首次证明ATM缺失直接导致肌肉收缩动力学异常。

该研究突破性地揭示ATM通过调控钙稳态直接影响骨骼肌功能，挑战了"A-T肌病纯属神经源性"的传统认知。建立的USCs-ATM-KO模型不仅重现DNA修复缺陷等经典表型，更发现钙信号-收缩偶联这一全新病理机制：ATM缺失→MCU下调→线粒体钙缓冲能力下降→胞质钙震荡增强→肌丝过度激活。这些发现为开发靶向钙通道的A-T治疗策略提供理论依据，USCs平台也为其他神经肌肉疾病的机制研究提供范本。论文发表于《Cell Death Discovery》的亮点在于将前沿基因编辑技术、动态钙成像与功能性收缩实验相结合，为罕见病研究开辟了非侵入性细胞模型的新路径。