腺苷酸活化蛋白激酶在肺部疾病中的作用

韓 冬，王貴佐，李滿祥

(西安交通大學醫學院第二附屬醫院呼吸病研究室，呼吸內科，陜西西安 710004)

腺苷酸活化蛋白激酶(AMP-activated protein kinase，AMPK)是一種重要的蛋白激酶，廣泛參與人體內的能量代謝活動。AMPK作為3-羥基-3甲基戊二酰輔酶A還原酶(3-hydroxy-3-methylglutaryl coenzyme A reductase，HMGR)和乙酰輔酶A羧化酶(acetyl-CoA carboxylase，ACC)的上游激酶被首次發現，其自身磷酸化后可抑制HMGR和ACC的活性，HMGR和ACC分別是調控膽固醇/異戊二烯和脂肪酸合成的關鍵酶。AMPK亦參與調節人體內能量形式之間的轉化過程，在維持骨骼肌、肝臟和脂肪細胞中葡萄糖和脂肪酸的動態平衡中發揮重要作用［1］。隨后的研究發現AMPK對能量形式的調節作用也存在于下丘腦中，參與下丘腦對食物攝入、能量消耗、體重等的調節功能［2］。

新近的研究發現，AMPK與多種疾病的發生、發展密切相關。動物研究發現，AMPK可參與胰島素抵抗的發生，敲除AMPK-α2基因的小鼠其胰島素水平降低、血糖水平升高［3］。AMPK亦是心臟應激中的一個關鍵信號通路［4］，他汀類藥物對心血管系統的保護作用亦是部分通過激活AMPK信號通路實現的［5］。近年來，AMPK與肺部疾病的關系愈發受到人們的重視，目前研究認為AMPK在肺癌、支氣管哮喘及肺動脈高壓等肺部疾病中亦發揮著重要的作用。本文就AMPK的生物學特性及其在肺部疾病中的潛在治療作用做一綜述。

1 AMPK的基本結構和功能

AMPK是由1個催化亞基(α)和2個調節亞基(β和γ)構成的異三聚體蛋白酶［6］。3種亞基均有各自的異構體亞型，即 α1、α2、β1、β2、γ1、γ2 和 γ3［7］。α1、β1 及 γ1 亞型在不同組織中廣泛表達，而α2和β2主要在橫紋肌細胞中表達。α、β和γ 3個亞基對于AMPK的活化都是必需的。α亞基的氨基端包含有絲/蘇氨酸蛋白激酶的催化結構域，即蘇氨酸172位點(Thr172residue)，其磷酸化是AMPK活化的關鍵［8］。β亞基在糖原和AMPK 的相互作用中是不可或缺的，其氨基端包含有一個糖原結合結構域(carbohydrate-binding module，CMB)，研究認為 AMPK通過 CMB與糖原結合［9］。此外，β亞基也通過其羧基端的一個結構域(第186-270位氨基酸)在穩定α和γ亞基的相互定位關系中發揮作用［10］。γ 亞基包含 4 個胱硫醚 β-合成酶(cystathionine βsynthase，CBS)結構域［11］，AMP、ADP 和 ATP 均可與其結合，改變α亞基的構象，進而調節AMPK被上游激酶的磷酸化［12］及 Thr172的去磷酸化［13］，從而調節 AMPK 的活性。

2 AMPK活性的調節

AMPK在調節細胞的能量代謝過程中發揮重要作用。當細胞內AMP水平增高時，AMPK即被激活。AMP可與AMPK的γ亞基結合，引起 AMPK的構象改變，從而使AMPK的活性增加2-5倍［6］。在各種構型中，由 α2和 γ2亞基構成的AMPK構型被激活的程度最高，而由γ3亞基構成的AMPK被激活的程度最低［6］。除了受AMP的變構調節外，AMPK還受上游激酶的調節。絲氨酸-蘇氨酸激酶11(serine/threonine kinase，STK11，又稱LKB1)和鈣調蛋白依賴性蛋白激酶 β(Ca2+/calmodulin-dependent protein kinase kinase β，CaMKKβ)為兩種研究較為明確的AMPK上游激酶。在體外試驗中，純化重組的LKB1復合體可直接磷酸化AMPK的Thr172［14-15］，激活 AMPK。之后在 LKB1缺陷細胞的研究中發現了AMPK的另一種上游激酶-CaMKKβ［16-17］。體外實驗中，從大鼠腦組織分離或在大腸桿菌中表達的CaMKKβ 可 以 磷酸化 并 激活 AMPK［17］。CaMKKβ 激 活AMPK并不依賴于細胞內AMP的濃度增高，但有賴于細胞內Ca2+含量的增高［17］。AMPK被上游激酶磷酸化的過程是可逆的，由蛋白磷酸酶調控。已有研究證實［17］PP2A和PP2C可使AMPK去磷酸化，從而抑制其活化。近年來有學者提出了調節AMPK活性的新機制，其研究認為AMPK能被誘導細胞死亡的DFF45樣效應因子A(cell-death-inducing DNA fragmentation factor-α-like effector A，CIDEA)通過泛素依賴的蛋白酶體(ubiquitin-dependent proteasome)途徑降解，同時在AMPK的β亞基上發現了一個CIDEA的結合位點［18］。

3 AMPK的主要激動劑

AMPK是一種絲氨酸-蘇氨酸蛋白激酶，與酵母菌的Snf1激酶同源。一般來講，能使AMP/ATP比例增高的應激事件均可使AMPK的活性上調，如缺氧、低血糖或骨骼肌的收縮等。近年來，其他激活AMPK的機制日益引起人們的關注，例如活性氧自由基(reactive oxygen species，ROS)等。表1列出了AMPK的主要激動劑的類型及其名稱。

4 AMPK在肺部疾病中的作用

4.1AMPK與肺癌肺癌是目前我國惡性腫瘤中首位的死亡原因，占全部惡性腫瘤死亡的22.7%，且其發病率和死亡率仍在上升。最近，越來越多的研究聚焦于AMPK的調控與肺癌發生之間的關系。研究發現，LKB1是AMPK的兩個主要上游激酶之一，抑制其活性可協同Kras基因突變促進肺癌的發生［19］。值得注意的是，相較于缺少p53或Ink4a/Arf的腫瘤細胞，Lkb1基因缺陷的腫瘤細胞表現出更頻繁的轉移［19］。另有一項研究表明魚藤素(deguelin)可通過激活AMPK并抑制蛋白激酶B(protein kinase B，又稱AKT)的活性，進而抑制凋亡抑制蛋白survivin的翻譯，從而抑制肺癌的發生［20］。在小鼠中的一項研究表明二甲雙胍可以預防煙草致癌物誘導的小鼠肺癌的發生［21］。該研究認為二甲雙胍可通過激活AMPK，進而抑制哺乳動物雷帕霉素靶蛋白(Mammalian target of rapamycin，mTOR)通路的過度激活，從而抑制肺癌的發生［21］。此外，還有研究證實在肺癌細胞中，洛伐他汀可抑制AKT的活性并激活AMPK信號通路，進而通過誘導細胞凋亡的方式抑制肺癌細胞的生存并增強其對放療的敏感性［22］。總之，近年來的研究大多證實AMPK通路的激活可抑制肺癌的發生，為肺癌治療提供了新靶點的可能。

表1 AMPK的主要激動劑的類型及名稱

4.2AMPK與支氣管哮喘近年來的研究提出AMPK作為一種新型的信號蛋白在調節炎癥和免疫反應中發揮重要作用［23-24］。在幾種炎性疾病的動物模型中，證實AMPK的激動劑可阻斷炎癥反應的進程［23，25-26］。而氣道炎癥正是支氣管哮喘的主要發病機制之一。一項研究表明，AMPK的特異性激動劑AICAR能減輕小鼠哮喘模型中poly(I∶C)誘發的氣道高反應性(airway hyperresponsiveness，AHR)及氣道炎癥。其機制在于AICAR能減少炎癥細胞向肺內的遷移，降低肺內Th1和Th2細胞因子如IL-5、IL-13、IFN-γ和TNF-α的水平，進而抑制NF-κB的激活，發揮抗炎作用［26］。近來有學者在甲苯二異氰酸酯誘發的小鼠哮喘模型研究中，發現AMPK的活化可抑制HIF/VEGFA信號通路，進而減輕氣道炎癥、降低氣道反應性及血管通透性，從而減輕哮喘的嚴重程度［27］。該研究主要證實了以下兩個分子機制:①AMPK信號通路通過抑制ROS的生成，增高白介素10(IL-10)的表達，而IL-10是一種已證實可抑制哮喘發生的抗炎因子［28］。②活化的AMPK可通過抑制ROS-HIF-VEGFA軸的作用，降低血管通透性，減少細胞和炎性因子的滲出，減輕哮喘的臨床經過。

4.3AMPK與急性肺損傷中性粒細胞是固有免疫和炎癥反應中不可或缺的細胞因素［29］，但其過度激活會導致過量的細胞因子和炎癥介質釋放，從而引起組織損傷和器官功能障礙，如急性肺損傷(acute lung injury，ALI)的發生［30-31］。已有研究證實小鼠肺內AMPK的激活可以減輕脂多糖(LPS)誘發的ALI的嚴重程度［32］。活化的AMPK可以減少LPS誘導的中性粒細胞中NF-κB的核內轉移，從而抑制NF-κB的功能，進而抑制NF-κB依賴基因如腫瘤壞死因子-α(tumor necrosis factor-α，TNF-α)和誘導型一氧化氮合酶(inducible nitric oxide synthase，iNOS)的表達，減少IL-6等細胞因子和炎癥介質的釋放，從而減輕ALI的疾病經過［32］。該研究提示調節AMPK的活性有可能作為ALI及其它中性粒細胞主導的急性炎癥性疾病治療的新靶點。

4.4AMPK與肺動脈高壓肺動脈高壓(pulmonary artery hypertension，PAH)是一種臨床綜合征，當肺動脈壓異常增高超過正常范圍時即稱為PAH，它可由許多心、肺和肺血管疾病引起。一項研究證實二甲雙胍，一種可激活AMPK的治療糖尿病藥物，可明顯改善慢性缺氧或野百合堿誘導的大鼠肺動脈高壓模型的嚴重程度［33］。Apelin是近年來發現的一種小分子舒血管活性多肽，其受體為G蛋白偶聯受體-血管緊張素受體AT-1相關的受體蛋白(putative receptor protein related to the angiotensin receptor AT1，APJ)。近年來的研究提示低氧引起的APJ表達下調是低氧性肺動脈高壓(HPH)發生發展的一個重要的病理機制［34-35］，而AMPK在其中發揮關鍵作用。該研究認為Apelin通路的激活可誘導AMPK的活化，進而提高KLF2和eNOS的表達，從而抑制肺動脈高壓的發生，而Apelin的抑制則會加重肺動脈高壓的嚴重程度［36］。上述研究提示AMPK信號通路可作為治療肺動脈高壓的新靶點。

4.5AMPK與囊性纖維化囊性纖維化(Cystic fibrosis，CF)是一種常染色體隱性遺傳病，可累及全身各器官的上皮組織，尤以肺部受累最為多見和嚴重，目前尚無根治方法［37］。在肺部其病理機制主要是病變的氣道上皮細胞頂膜的CF跨膜電導調節器(CF transmembrane conductance regulator，CFTR)Cl-通道發生了基因突變，導致呼吸道表面液體層(airway surface liquid，ASL)功能失調，損害肺黏液纖毛清除功能，導致支氣管肺部感染等并發癥的發生［38］。一項在取自CF病人原代培養的人CF支氣管上皮細胞(primary human bronchial epithelial cell，HBE)中進行的研究證實，通過AICAR或二甲雙胍激活AMPK，可抑制CFTR介導的Cl-過度分泌和上皮細胞鈉離子通道(epithelial sodium channel，ENaC)介導的Na+的吸收減少，進而減少ASL的重吸收，維持ASL的穩定;同時可抑制NF-κB和過氧化物酶體增殖物激活受體(peroxisome proliferator-activated receptor，PPAR)的上調，減少IL-6、IL-8和GM-CSF等炎癥因子的釋放［39］。過度的ENaC的電流、ASL的重吸收和炎癥是CF肺損傷發病機制中的主要元兇［38-39］。該研究認為二甲雙胍可通過激活AMPK，抑制CF HBE中過表達的ENaC，并減少炎癥介質的釋放［39］，為治療囊性纖維化提出了新的思路。

5 小結

綜上所述，通過藥理學方法激活AMPK具有廣泛的抗炎、抑制細胞增殖等保護性作用，體外研究證實激活AMPK信號通路具有治療肺癌、肺動脈高壓、支氣管哮喘等疾病的潛在價值，但其是否在臨床上可用于上述疾病的治療有待于進一步驗證。

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