ATM蛋白作為PI3-激酶相關家族，參與細胞周期調控、細胞內蛋白轉運和DNA損傷的反應。當細胞受到放射線照射時，ATM蛋白的主要功能是使細胞周期處于靜止期，使受損的DNA有機會得以修復。ATM通過磷酸化途徑保持p53的穩定性和與蛋白酪氨酸激酶c-Abl結合為復合物以便調控細胞周期。ATM基因突變使受損細胞持續處于分裂期，受損的DNA在細胞不斷分裂過程中其DNA不但得不到修復，更容易發生進一步斷裂。細胞端粒有縮短的現象，導致細胞凋亡。此可解釋共濟失調毛細血管擴張綜合征患者對放射性高度敏感性及小腦Purkinje細胞死亡誘發的進行性小腦共濟失調。
根據無效等位基因優勢原理，突變形式不同可導致臨床表型的極大差異，從典型ATS臨床表型到無任何臨床癥狀。