腺苷酸活化蛋白激酶調(diào)節(jié)糖脂代謝的研究進展

俞牧雨，殷峻

(上海交通大學(xué)附屬第六人民醫(yī)院·上海市糖尿病研究所，上海200233)

腺苷酸活化蛋白激酶調(diào)節(jié)糖脂代謝的研究進展

俞牧雨，殷峻

(上海交通大學(xué)附屬第六人民醫(yī)院·上海市糖尿病研究所，上海200233)

腺苷酸活化蛋白激酶(AMPK)是一種廣泛存在于真核細胞中的絲氨酸/蘇氨酸激酶，在維持細胞能量代謝平衡中發(fā)揮重要作用。AMPK激活時，一方面可增強機體分解代謝，使脂肪酸β氧化增強，促進ATP產(chǎn)生；另一方面可抑制合成代謝，使脂肪酸、膽固醇的合成減少，ATP消耗降低，胰島素敏感性增強及攝食量增加。AMPK有望成為2型糖尿病、肥胖癥和代謝綜合征等代謝性疾病防治的新靶點。

碳水化合物代謝障礙；脂肪代謝障礙；腺苷酸活化蛋白激酶

腺苷酸活化蛋白激酶(AMPK)廣泛存在于真核細胞中，對機體能量代謝平衡起調(diào)節(jié)作用，被稱為“細胞能量調(diào)節(jié)器”。 近年研究發(fā)現(xiàn)，AMPK的激活可使機體分解代謝增強，合成代謝減弱，減少脂質(zhì)沉積，促進脂肪酸氧化和線粒體生物合成，增強胰島素敏感性,而抑制下丘腦AMPK活性，則機體食物或能量攝入減少。AMPK信號通路可能是代謝性疾病防治的新靶點。現(xiàn)就其研究進展作一綜述。

1 AMPK的結(jié)構(gòu)及其激活機制

AMPK由催化亞基α和調(diào)節(jié)亞基β、γ共同組成。β亞基像一個支架，將α和γ亞基連接起來。AMPK的α和β亞基分別有兩個亞型(α1、α2、β1、β2)，γ亞基有三個亞型(γ1、γ2、γ3)，因此理論上AMPK可形成12種異三聚體。AMPK α亞基的N末端是發(fā)揮催化作用的關(guān)鍵部位，其中蘇氨酸172磷酸化對于AMPK活性的調(diào)節(jié)最為重要。C端臨近激酶域處有約70個殘基的自身抑制序列，而395～550殘基處為α亞基與β、γ亞基相互作用的結(jié)構(gòu)域，C端末尾處約20個殘基在不同物種間具有高度保守性，可能為核輸出序列[1]。β亞基N端之后緊跟著KIS結(jié)構(gòu)域，為功能性糖原結(jié)合域，可感應(yīng)以糖原形式儲存的細胞能量狀態(tài)[2]。γ亞單位含有4個串行重復(fù)的胱硫醚β合酶結(jié)構(gòu)域，形成Bateman域，結(jié)合一磷酸腺苷(AMP)。

AMPK的活性主要與AMP/三磷酸腺苷(ATP)比值變化有關(guān)。饑餓、缺血缺氧、電刺激、熱休克、三羧酸循環(huán)或氧化磷酸化抑制劑等可使AMP/ATP比值增高，AMPK激活。AMP通過與AMPK γ亞基結(jié)合改變其構(gòu)象，增加AMPK活性。 AMP、二磷酸腺苷(ADP)或ATP與AMPK的結(jié)合可使其在對脫磷酸作用敏感與不敏感的狀態(tài)中相互轉(zhuǎn)換，影響AMPK的活性[3]。

AMPK的上游激酶包括腫瘤抑制蛋白(LKB1)、鈣調(diào)蛋白依賴性蛋白激酶激酶(CaMKK β)和TGF-β活化激酶-1(TAK1)等。其中，LKB1可直接磷酸化AMPK α亞單位上的172位蘇氨酸而激活A(yù)MPK。近期研究表明，LKB1對AMPK的激活過程可發(fā)生于溶酶體表面，說明晚期溶酶體在機體代謝中的確發(fā)揮作用[4]。而CaMKK β主要存在于神經(jīng)系統(tǒng)，對蘇氨酸172的磷酸化作用主要依賴于胞內(nèi)Ca2+濃度的改變，與ATP水平無關(guān)。TAK1的活性受多種細胞因子影響，如IL-1、TGF-β和CD40等，最新研究表明TAK1可能是通過激活LKB1間接激活A(yù)MPK，而非以往認為的直接激活[5]。

此外，AMPK可被5-氨基咪唑-4-甲酰胺核糖核苷酸(AICAR)特異性激活，AICAR被細胞攝取，在腺苷激酶的磷酸化作用下形成一磷酸衍生物ZMP。ZMP具有AMP樣作用，可激活A(yù)MPK。AMPK α2基因敲除小鼠骨骼肌中α2活性及蘇氨酸172的磷酸化受到抑制。而AMPK α1基因敲除小鼠除α1活性減弱外，蘇氨酸172活性無明顯變化，說明骨骼肌的α2亞基在AMPK的激活中發(fā)揮關(guān)鍵作用[6]。

2 AMPK與脂代謝

脂代謝紊亂主要表現(xiàn)為血漿脂質(zhì)(甘油三酯、游離脂肪酸等)水平的升高。AMPK能抑制脂肪酸及膽固醇合成、促進脂肪酸氧化。同時，AMPK可抑制脂肪細胞的前體細胞分化為脂肪細胞，調(diào)節(jié)脂肪組織的形成。Yin等[7]用AMPK抑制劑compound C處理肝細胞，發(fā)現(xiàn)細胞內(nèi)甘油三酯含量顯著升高，而用AMPK激活劑AICAR處理可發(fā)現(xiàn)細胞內(nèi)甘油三酯含量大幅下降，表明AMPK可降低細胞甘油三酯水平。

AMPK的活化可抑制脂肪酸和膽固醇的合成。乙酰輔酶A羧化酶(ACC)和羥甲基戊二酸單酰輔酶A還原酶(HMGR)分別為脂肪酸合成和膽固醇合成的關(guān)鍵酶，同時ACC和HMGR也是AMPK下游的靶分子，可被磷酸化失活，使脂肪酸和膽固醇的合成被抑制。HMGR可催化羥甲基戊二酸單酰輔酶A(HMG CoA)生成甲羥戊酸，AMPK使其磷酸化失活，抑制HMG CoA向甲羥戊酸轉(zhuǎn)化，膽固醇合成減少[8]。同時，AMPK對脂肪酸合成酶、檸檬酸激酶等其他脂肪酸合成相關(guān)酶亦有一定的抑制作用。此外，亦有研究表明AMPK活化后可抑制SREBP-1c和ChREBP等的表達和轉(zhuǎn)錄活性，下調(diào)相關(guān)靶基因表達，抑制脂質(zhì)合成[9]。

AMPK的活化可促進脂肪酸氧化。ACC主要作用于乙酰輔酶A，使其羧化形成丙二酰輔酶A(McoA)。McoA是脂肪合成的第一步產(chǎn)物，可反饋抑制肉毒堿棕櫚酰轉(zhuǎn)移酶1(CPT-1)活性，從而抑制長鏈脂肪酸進入線粒體內(nèi)進一步氧化分解。當(dāng)AMPK被激活時，ACC發(fā)生磷酸化而喪失功能，McoA含量減少，CPT-1作用增強，最終導(dǎo)致脂肪酸β氧化增加。研究顯示，胰高血糖素可以刺激AMPK對ACC1及ACC2進行調(diào)節(jié)，并且CaMKK β作為AMPK的上游激酶調(diào)節(jié)此代謝[10]。同時，有研究表明AMPK α活化后可激活PPAR α，上調(diào)相關(guān)靶基因，促進脂肪酸氧化[9]。

AMPK的活化可抑制脂解作用。研究發(fā)現(xiàn)，在大鼠的脂肪細胞過表達組成性激活的AMPK可以抑制異丙腎上腺素誘導(dǎo)的脂解作用。AMPK α1敲除小鼠的脂肪細胞體積變小，基礎(chǔ)水平和異丙腎上腺素誘導(dǎo)下的脂解水平均比對照組高。激素敏感性脂肪酶(HSL)是甘油三酯水解的關(guān)鍵酶，腎上腺素β受體激動劑升高胞質(zhì)cAMP水平，激活蛋白激酶A(PKA)，進而磷酸化HSL，使之轉(zhuǎn)位至脂滴發(fā)揮作用。當(dāng)AMPK激活時，可磷酸化其下游靶蛋白HSL的絲氨酸565位點，抑制PKA磷酸化HSL，從而阻止異丙腎上腺素所誘導(dǎo)的HSL轉(zhuǎn)位，最終抑制脂解作用[11]。

此外，Puljak等[12]發(fā)現(xiàn)AMPK還可以激活另一條以前未發(fā)現(xiàn)的通路，與胞外脂蛋白的分泌有關(guān)，這條通路與脂肪酸氧化通路協(xié)同調(diào)控胞內(nèi)脂質(zhì)含量，在維持脂質(zhì)平衡中發(fā)揮重要作用。

3 AMPK與糖代謝

除脂代謝紊亂外，糖代謝紊亂也常發(fā)生于各種代謝性疾病中，如空腹血糖受損、糖耐量異常、糖尿病等。以往研究認為，AMPK活化時，可磷酸化磷酸果糖激酶和己糖激酶，抑制果糖-1,6二磷酸激酶、葡萄糖-6-磷酸酶及糖原合酶，從而促進糖酵解，抑制糖異生及糖原合成。同時，AMPK可磷酸化激活A(yù)S160可促進葡萄糖轉(zhuǎn)運體4(GLUT-4)從胞質(zhì)囊泡轉(zhuǎn)運至細胞膜表面并通過磷酸化轉(zhuǎn)錄因子，將血漿葡萄糖轉(zhuǎn)運入細胞，促進葡萄糖攝取利用，被認為在糖尿病的發(fā)病中發(fā)揮重要作用。

二甲雙胍是AMPK激活劑，目前廣泛應(yīng)用于2型糖尿病的治療。有研究認為二甲雙胍通過AMPK通路發(fā)揮降血糖作用，而我們的研究表明在小鼠AMPK被敲除后，二甲雙胍仍可使血糖降低，機制可能為通過抑制線粒體電子傳遞鏈復(fù)合物刺激糖酵解促進葡萄糖代謝[13]。因此AMPK對糖代謝的確切作用及具體作用機制還需進一步研究。

4 AMPK與胰島素抵抗

胰島素抵抗常存在脂肪組織巨噬細胞炎癥反應(yīng)的積累。AMPK的活化可改善脂肪組織巨噬細胞炎癥反應(yīng)，進而改善胰島素抵抗，而敲除AMPK α2、β1亞基可引起胰島素敏感性下降。高脂飲食時，AMPK β1敲除小鼠血清葡萄糖和胰島素水平較對照組明顯升高，肝糖輸出增加，胰島素對肝糖產(chǎn)生的抑制作用減弱，同時，肝臟蛋白激酶磷酸化程度較對照組低[14]，表明AMPK β1敲除小鼠在高脂飼喂時的確存在肝臟胰島素抵抗。而小鼠α1敲除后未發(fā)現(xiàn)明顯代謝缺陷而AMPK α2敲除小鼠葡萄糖促胰島素分泌功能受損[15]。與之相一致的是，紅酒中發(fā)現(xiàn)的可激活A(yù)MPK的多酚類物質(zhì)——白藜蘆醇可預(yù)防高脂飲食的野生型小鼠發(fā)生胰島素抵抗，但對AMPK α2敲除的小鼠卻無此作用[16]。最新研究表明，AMPK激活劑可上調(diào)骨骼肌IRS-1蛋白和GLUT-4蛋白的表達，促進葡萄糖攝取，同時還可抑制IL-6、IL-8、MCP-1、COX-2等因子的釋放，改善胰島素抵抗[17]。以上結(jié)果說明AMPK α2、β1亞基可調(diào)控脂肪組織巨噬細胞炎癥反應(yīng)，進而提高胰島素敏感性，而α1亞基無此作用。

脂肪組織可分泌多種生物活性物質(zhì)如脂聯(lián)素、瘦素和抵抗素等，稱為脂肪細胞因子，與胰島素抵抗、代謝綜合征等密切相關(guān)。在肥胖和2型糖尿病的發(fā)生發(fā)展中，血漿脂聯(lián)素水平的下降與胰島素抵抗的進展程度相平行。空腹等能量消耗狀態(tài)時血漿脂聯(lián)素水平上升，而機體處于肥胖等能量過剩狀態(tài)時脂聯(lián)素水平下降。脂聯(lián)素可通過促進骨骼肌細胞的脂肪酸氧化等途徑改善胰島素敏感性，并可以顯著降低TNF-α引起的炎癥反應(yīng)。研究表明上述作用均依賴于AMPK的激活[18]。在骨骼肌，脂聯(lián)素通過磷酸化AMPK激活下游靶點MAPK，增強PPAR α轉(zhuǎn)錄活性及靶基因的表達，促進脂肪酸氧化，降低脂質(zhì)堆積。在肝臟中，脂聯(lián)素磷酸化AMPK，減少肝糖輸出，其中AMPK α2亞單位是關(guān)鍵靶點。

5 AMPK與攝食

2型糖尿病、肥胖和代謝綜合征等疾病均存在食欲增加、攝食增多等表現(xiàn)，導(dǎo)致攝入熱量多于消耗熱量，多余熱量以脂肪形式儲存在體內(nèi)，從而導(dǎo)致脂代謝的紊亂。下丘腦具有多個攝食調(diào)節(jié)區(qū)域，與機體攝食密切相關(guān)。

AMPK高表達于哺乳動物下丘腦弓狀核、外側(cè)區(qū)、腹內(nèi)側(cè)核和視上核等攝食調(diào)節(jié)區(qū)域，參與機體攝食調(diào)節(jié)。AMPK活性受饑餓、飽食等多種因素影響，與機體能量狀態(tài)密切相關(guān)，可作用于下丘腦，影響食物攝入。脂聯(lián)素、胃促生長素和瘦素等激素可作用于下丘腦，通過AMPK調(diào)節(jié)食欲。脂聯(lián)素可通過磷酸化AMPK促進攝食，抑制能量消耗，機制可能為增加AgRP mRNA的表達。胃促生長素激活A(yù)MPK后可促進脂肪酸氧化及線粒體生物合成，能量消耗時通過AgRP神經(jīng)元持續(xù)不斷釋放遞質(zhì)增加突觸的適應(yīng)性，促進食物攝入。而瘦素可抑制下丘腦AMPK活性，增加抑制食欲的神經(jīng)肽釋放，減少食物攝入。中樞AMPK的慢性激活會增加糖尿病小鼠攝食，增加肝糖輸出，減弱葡萄糖刺激的胰島素分泌，加劇肝胰島素抵抗，導(dǎo)致葡萄糖代謝紊亂，能量代謝失衡，而中樞AMPK抑制劑可改善這種失衡，說明AMPK的激活在中樞和外周的作用是截然相反的。

綜上所述，AMPK廣泛參與機體代謝調(diào)控過程，可作為糖尿病、高血脂、肥胖癥、代謝綜合征等能量代謝紊亂疾病的治療靶點。

[1] Kazgan N,Williams T,Forsberg LJ,et al.Identification of a nuclear export signal in the catalytic subunit of AMP-activated protein kinase[J].Mol Biol Cell,2010,21(19):3433-3442.

[2] McBride A,Ghilagaber S,Nikolaev A,et al.The glycogen-binding domain on the AMPK beta subunit allows the kinase to act as a glycogen sensor[J].Cell Metab,2009,9(1):23-34.

[3] Xiao B,Sanders MJ,Underwood E,et al.Structure of mammalian AMPK and its regulation by ADP[J].Nature,2011,472(7342):230-233.

[4] Zhang CS,Jiang B,Li M,et al.The lysosomal v-ATPase-Ragulator complex is a common activator for AMPK and mTORC1,acting as a switch between catabolism and anabolism[J].Cell Metab,2014,20(3):526-540.

[5] Inokuchi-Shimizu S,Park EJ,Roh YS,et al.TAK1-mediated autophagy and fatty acid oxidation prevent hepatosteatosis and tumorigenesis[J].J Clin Invest,2014,124(8):3566-3578.

[6] Dzamko N,Schertzer JD,Ryall JG,et al.AMPK-independent pathways regulate skeletal muscle fatty acid oxidation[J].J Physiol,2008,586(23):5819-5831.

[7] Yin Y,Li Z,Gao L,et al.AMPK-dependent modulation of hepatic lipid metabolism by nesfatin-1[J].Mol Cell Endocrinol,2015( 417):20-26.

[8] Habegger KM,Hoffman NJ,Ridenour CM,et al.AMPK enhances insulin-stimulated GLUT4 regulation via lowering membrane cholesterol[J].Endocrinology,2012,153(5):2130-2141.

[9] Chen H,Zhang L,Li X,et al.Adiponectin activates the AMPK signaling pathway to regulate lipid metabolism in bovine hepatocytes[J].J Steroid Biochem Mol Biol,2013(138):445-454.

[10] Peng IC,Chen Z,Sun W,et al.Glucagon regulates ACC activity in adipocytes through the CAMKKβ/AMPK pathway[J].Am J Physiol Endocrinol Metab.2012.302(12):E1560-1568.

[11] Daval M,Diot-Dupuy F,Bazin R,et al.Anti-lipolytic action of AMP-activated protein kinase in rodent adipocytes[J].J Biol Chem,2005,280(26):25250-25257.

[12] Puljak L,Parameswara V,Dolovcak S,et al.Evidence for AMPK-dependent regulation of exocytosis of lipoproteins in a model liver cell line[J].Exp Cell Res,2008,314(10):2100-2109.

[13] Xu M,Xiao Y,Yin J,et al.Berberine promotes glucose consumption independently of AMP-activated protein kinase activation[J].PLoS One,2014,9(7):e103702.

[14] Galic S,Fullerton MD,Schertzer JD,et al.Hematopoietic AMPK β1 reduces mouse adipose tissue macrophage inflammation and insulin resistance in obesity[J].J Clin Invest,2011,121(12):4903-4915.

[15] Viollet B,Andreelli F,Jorgensen SB,et al.Physiological role of AMP-activated protein kinase (AMPK):insights from knockout mouse models[J].Biochem Soc Trans,2003,31(Pt 1):216-219.

[16] Um JH,Park SJ,Kang H,et al.AMP-activated protein kinase-deficient mice are resistant to the metabolic effects of resveratrol[J].Diabetes,2010,59(3):554-563.

[17] Liong S,Lappas M.Activation of AMPK improves inflammation and insulin resistance in adipose tissue and skeletal muscle from pregnant women[J].J Physiol Biochem,2015,71(4):703-717.

[18] Ohashi K,Shibata R,Murohara T,et al.Role of anti-inflammatory adipokines in obesity-related diseases[J].Trends Endocrinol Metab,2014,25(7):348-355.

國家自然科學(xué)基金資助項目(31171128)。

殷峻(E-mail:yinjun@sjtu.edu.cn)

10.3969/j.issn.1002-266X.2017.01.039

R589.1;R589.2

A

1002-266X(2017)01-0109-03

2016-10-12)