AMPK/mTOR信號通路在線粒體自噬中的研究進展

石拴霞，閻一鑫，王紀田，魏璐曉，宋誠 綜述 王玲 審校

1.甘肅中醫藥大學第一臨床醫學院，甘肅 蘭州 730000；

2.聯勤保障部隊第九四〇醫院生殖醫學中心，甘肅 蘭州 730050

腺苷酸活化蛋白激酶(adenosine monophosphate-activated protein kinase，AMPK)是一種高度保守的細胞能量和營養狀態傳感器，其調節能量恢復的機制是感知一磷酸腺苷(adenosine monophosphate，AMP)/三磷酸腺苷(adenosine triphosphates，ATP)和二磷酸腺苷(adenosine diphosphates，ADP)/ATP 的比值變化被激活，通過打開產生ATP的途徑，同時關閉生物合成途徑和其他消耗ATP的非必要過程來恢復能量穩態[1]。哺乳動物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin，mTOR)是合成和分解代謝匯合點的機制靶點，通過刺激生物合成途徑促進細胞生長，并通過降低細胞自噬來抑制分解代謝[2]。研究表明，AMPK 通過多種途徑介導自噬，但主要取決于mTOR 的下調[3]。在線粒體中，AMPK/mTOR調控的自噬依賴于線粒體膜上的蛋白[4-5]，可直接或與其他通路交互調控線粒體自噬在相關線粒體疾病中發揮保護作用。

1 AMPK

AMPK 在真核生物中作為異源三聚體復合物表達，由一個催化亞基α和兩個調節亞基β和γ組成，可能產生12個不同的AMPK復合物[6]。AMPKα1、AMPKβ1和AMPKγ1在機體中普遍表達，但其他亞型的表達卻很有限。AMPKα2和AMPKβ2在骨骼肌和心肌中高表達；AMPKγ2存在于肝臟、腎臟、心臟、肺、骨骼肌和胰腺中；AMPKγ3分布于骨骼肌中，與葡萄糖攝取和線粒體功能有關。AMPKα1主要定位于細胞質，而AMPKα2主要定位于細胞核，AMPKγ亞單位定位于肌肉纖維[7]。最近的研究證明，AMPKα1、α2、β2和γ1定位于小鼠和人類各種組織的線粒體外膜[8]。

AMPK有上游和下游兩個靶點，通過三叉機制被完全激活。肝激酶B1(liver kinase B1，LKB1)磷酸化Thr172 激活AMPK[9]，AMP 或ADP 與γ亞單位結合變構激活AMPK，同時AMP 與γ亞基的結合促進α亞基上Thr172 的磷酸化并阻礙蛋白磷酸酶2C (protein phosphotases 2C，PP2C)的去磷酸化, 增強了AMPK的活性[10]。AMP 的結合導致AMPK的變構激活高達10 倍，而ATP 抑制這三種機制[7]。由于AMPK 特殊的可逆反應，應激細胞中AMP 的增加總是遠遠大于ADP 的增加或ATP 降低，因此AMP 成為了能量應激系統中重要的信號。此外，AMPK 也可被其他激酶、細胞因子、核苷酸、化合藥物及Ca2+等激活[11]，活化的AMPK調節多種代謝過程。

2 mTOR

mTOR是進化上保守的絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶，通過感知細胞內外營養物質的波動調節細胞生長、代謝和自噬。mTOR 是兩種功能不同復合物的催化亞基，分別為mTORC1和mTORC2。mTORC1通過磷酸化磷脂酰肌醇3-激酶-蛋白激酶B-結節性硬化復合物1/2 (PI3K-Akt-TSC1/2)途徑被生長因子和胰島素激活，刺激mRNA 翻譯和其他合成代謝過程，但抑制自噬。mTORC2 通過激活AGC 激酶家族成員控制細胞骨架組織和細胞存活，并參與葡萄糖和脂質的代謝[12]。AGC激酶是一類Ser/Thr蛋白激酶，受TOR調控，對細胞生長發育具有重要的生理意義。當mTOR 被激活時，通過其下游核糖體蛋白S6激酶B1(RPS6 KB1)、真核細胞翻譯起始因子4E 結合蛋白(4E-BP)和Unc-51樣自噬激酶1(ULK1)的磷酸化調節合成代謝，從而誘導細胞生長和增殖[13]。

3 AMPK/mTOR 通過線粒體蛋白調控線粒體自噬

受損線粒體被特異性包裹進自噬體并與溶酶體融合，完成損傷線粒體的降解被稱為線粒體自噬[14]。定位于線粒體外膜并暴露于細胞質中的線粒體分裂因子(mitochondrial fission factor，MFF)和乙酰輔酶A羧化酶2 是AMPK 的良好底物，在胞質中可以通過自由漂浮的胞質與AMPK接觸，使AMPK可能存在于線粒體或其附近[15]。動力蛋白相關蛋白1 (dynamin related protein 1，Drp1)是催化線粒體分裂的酶，MFF是線粒體外膜上Drp1的主要受體。在能量應激期間，AMPK通過直接磷酸化MFF誘導線粒體分裂，Drp1將受損線粒體分裂成更小的片段協助自噬體更有效地清除這些片段[16]，鐵超載可能通過AMPK/MFF/Drp1引起間充質干細胞損害，增加間充質干細胞凋亡，導致線粒體斷裂和自噬增強[17]。

線粒體碎片化是去除受損線粒體前的一個必要步驟，分離并靶向受損線粒體片段，通過線粒體自噬途徑進行轉換。線粒體分裂過程蛋白1(mitochondrial fission process 1，MTFP1)是線粒體內膜的一種完整蛋白質，活性由Drp1 介導，其缺失導致線粒體網狀結構高度融合，過度表達則引起線粒體碎片化[2]，促進線粒體自噬。有研究表明，mTORC1 通過4E-BP 介導的MTFP1翻譯刺激線粒體分裂，然而抑制mTORC1活性會導致線粒體過度融合、分支和循環，這是通過mTORC1/4E-BP 途徑下調MTFP1 的結果，從而引起Drp1磷酸化和定位變化[4]。線粒體外膜蛋白電壓依賴性陰離子通道1 (voltage-dependent anion channel 1，VDAC1)通過運輸ATP和其他代謝物穿過線粒體外膜在細胞代謝中發揮作用，負責自噬誘導活性。研究表明，抗抑郁藥舍曲林可能結合并拮抗線粒體VDAC1，降低細胞ATP，激活AMPK-mTOR-RPS6 KB1 誘導線粒體自噬[18]，效應可能依賴于AMPK上游蛋白激酶上的STK11基因，STK11是一種編碼絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶的抑癌基因。缺乏VDAC1 表達的細胞完全消除了藥物對AMPK-mTOR 和自噬的調節作用。VDAC1表面是否還存在其他藥物靶點需要深入研究。

4 AMPK/mTOR在相關疾病中調控線粒體自噬

4.1 骨骼肌運動 線粒體功能障礙可導致活性氧(ROS)代謝紊亂，從而激活DNA 損傷和細胞衰老，可通過調節生物合成和自噬來維持線粒體內穩態。過氧化物酶體增殖物激活受體γ共激活因子-1α(PGC-1α)是線粒體生物發生的主要調節因子，AMP/ATP比值升高激活AMPK或刺激其上調PGC-1α促進線粒體生物發生[19]。在老年肌肉減少癥大鼠的研究中，骨骼肌運動干預后，AMPK Thr172的磷酸化和PGC-1α的表達增加，并且可以激活AMPK/PGC-1α信號通路，促進老年大鼠骨骼肌線粒體合成[20]。在功能失調的線粒體外膜上，PTEN 誘導的激酶1(PINK1)通過激活并招募E3 泛素連接酶Parkin，泛素化線粒體外膜蛋白觸發線粒體自噬[21]。E3 泛素連接酶包括萎縮基因-1(Atrogin-1)和肌肉無名指蛋白1(MuRF1)在骨骼肌萎縮中至關重要[22]。骨骼肌運動可以促進AMPK Thr172磷酸化以及Drp1 和PINK1 蛋白的表達，進而促進AMPK 介 導 的 線 粒 體 自 噬。PGC-1α過 度 表 達 或AMPK/PGC-1α信號通路的激活不僅可以抑制核因子-κB 的轉錄活性，也可以降低Atrogin-1 和MuRF1的表達[23]。因此，運動可能激活AMPK/PGC-1α通路，減少Atrogin-1 和MuRF1 蛋白的表達或抑制E3 泛素連接酶延緩肌肉萎縮。另外，研究發現，老年大鼠骨骼肌中Akt Ser473、mTOR Ser2448 和叉頭框轉錄因子O3a (FOXO3a) Ser253 的磷酸化增加，運動可以通過抑制Akt Ser473 和mTOR Ser2448 的磷酸化來上調Beclin1[23-24]。這表明，運動干預可能通過調節Akt/mTOR和Akt/FoxO3a信號通路，促進老年骨骼肌的線粒體自噬。轉化生長因子β活化激酶1 (transforming growth factorβactivated kinase 1，TAK1)是一種重要的信號轉導蛋白，調節多種細胞內信號通路的激活。TAK1 的失活導致成年小鼠骨骼肌中功能失調的線粒體積累，并上調泛素-蛋白酶體系統和線粒體自噬活性。進一步研究發現，隨著TAK1失活，骨骼肌AMPK的磷酸化和酶活性增加，mTOR 水平降低[25]，這說明TAK1/AMPK/mTOR可能調控小鼠骨骼肌線粒體自噬和蛋白質來控制骨骼肌質量。

4.2 非酒精性脂肪性肝病 研究表明，自噬受損有助于非酒精性脂肪肝病(non-alcoholic fatty liver disease，NAFLD)的發展，在NAFLD 患者和小鼠模型中硫氧還蛋白相互作用蛋白(TXNIP)均上調，上調的TXNIP觸發AMPK催化亞單位通路(PRKAA)，通過誘導自噬和過氧化物酶體增殖物激活受體α(PPARα)介導的脂肪酸氧化調節NAFLD 的發展[26]。TXNIP 與PRKAA 有潛在功能聯系。研究表明，蛋氨酸膽堿缺乏(MCD)飲食喂養的小鼠中PRKAA 被激活，增加了mTORC1 相關蛋白磷酸化，PRKAA 的激活抑制mTORC1的活性，并允許去磷酸化轉錄因子(TFEB)進入細胞核[27]。由此可知，TXNIP通過直接結合PRKAA并調節mTORC1 和TFEB 誘導自噬。載脂蛋白E(ApoE)在脂質和脂蛋白代謝中起著重要作用，ApoE缺失抑制AMPK/mTOR通路，損害線粒體功能，降低肝線粒體自噬并增加肝臟脂質沉積，導致NAFLD[28]。一氧化碳(CO)通過蛋白激酶R樣內質網激酶(PERK)、真核啟動因子-2α(eIF2α)/激活轉錄因子-4(ATF4)依賴通路，激活AMPK/mTOR 增強線粒體ROS 產生誘導sestrin-2的表達，并通過激活肝細胞自噬來保護MCD飲食誘導的NAFLD進程[29]。白術苷(ATR)是一種結合于腺嘌呤核苷酸轉位酶的細胞毒性競爭抑制劑，可激活AMPK 并增加mTOR 相關調節蛋白(Raptor)的表達抑制mTOR激活自噬，促進脂肪變性肝細胞脂質降解，從而加速肝臟內脂質積累的降解[30]。ApoE、CO和ATR均介導AMPK/mTOR通路調控肝細胞及線粒體自噬，其在其他代謝性疾病中的作用是將來研究的熱點。

4.3 缺血再灌注損傷 過度自噬是缺血再灌注(I/R)損傷的關鍵因素之一。在腸I/R小鼠損傷模型和氧葡萄糖剝奪/復氧(OGD/R)細胞模型中發現，miR-146a-5p基因表達和p70核糖體蛋白S6激酶的磷酸化降低，TXNIP 表達和PRKAA 的磷酸化增加，TXNIP增加通過激活PRKAA/mTOR信號通路刺激自噬，加重OGD/R 損傷，而miR-146a-5p 過表達靶向TXNIP通過PRKAA/mTOR途徑抑制自噬并減輕腸I/R損傷[31]。人參皂苷單體化合物K通過增加細胞活力、降低ROS 生成、線粒體損傷和Ca2+超載保護大鼠神經元免受OGD/R損傷，并顯著降低p-AMPK，提高p-mTOR水平[32]，通過促進自噬小體形成吞噬前體的過程來減少自噬介導的細胞凋亡發揮神經保護作用。此外，ROS 瞬時感受器電位M2 通道缺失[33]、針刺[34]、木犀草素[35]、木香油方[36]和紅景天[37]激活AMPK/mTOR通路在I/R損傷中抑制自噬，保護腦和心肌I/R 損傷誘導的神經元死亡，而天麻素[38]、銀杏葉[39]和線粒體醛脫氫酶2的激活劑[40]激活AMPK/mTOR信號通路誘導自噬，增加自噬通量來消除功能失調的線粒體，減輕心肌和肝I/R損傷。綜上所述，在一定程度上，自噬/線粒體自噬增強在I/R損傷中也是有利的，AMPK/mTOR通過調控自噬/線粒體自噬通量的強弱在各器官中發揮保護作用。

4.4 肥胖 干擾素基因(STING)、Akt 和AMPK在肥胖導致的病理變化中具有潛在作用。環狀GMP-AMP 合酶(cGAS)與細胞質DNA 結合開啟STING，觸發干擾素(IFN)和IFN 刺激基因的轉錄上調。TANK 結合激酶1(TBK1)為一種多功能激酶，在細胞中功能廣泛，使mTORC1 的重要成分Raptor 在Ser877處磷酸化，以限制mTORC1的活性，TBK1還可直接磷酸化Ser366 處的STING 使其失活[41]。STING不僅介導自噬/線粒體自噬，其傳導的上、下游分子和蛋白質包括cGAS和TBK1可以直接或間接激活自噬/線粒體自噬，但它們的自噬/線粒體自噬抑制STING信號及其過度反應[42]，這表明STING信號存在負反饋控制，但這種交互調節在自噬/線粒體自噬及其他病理環境中的具體機制仍有待研究。綜上所述，TBK1/mTOR/STING信號之間可能有一定的聯系，它們直接或間接調控自噬/線粒體自噬維持機體穩態。Akt2-AMPKα2 雙重消融明顯增強高脂飲食攝入誘導的心肌細胞凋亡，下調了自噬/線粒體自噬水平，加劇線粒體生物發生、含量丟失以及超微結構變化[43]。另外，高脂肪攝入上調cGAS、STING和STING磷酸化水平，同時抑制ULK1 的磷酸化[44]。另外，Akt 可通過分別在Ser291 或Ser305 處磷 酸 化cGAS 抑制STING 調控脂肪代謝[44]。因此Akt2-AMPKα2 和cGAS/STING/AMPK/mTOR之間也存在一定的交互聯系，在肥胖性疾病中調控自噬/線粒體自噬維持機體平衡。

5 結語

多個組織的線粒體中存在AMPK，但AMPK在各組織線粒體中的表達是有差異的，這種差異性將是深入研究線粒體疾病發生機制的切入點，也是提供靶向藥物的關鍵點。線粒體損傷可通過能量應激激活AMPK 促進線粒體自噬，在沒有線粒體損傷的情況下，直接小分子激活劑，如A769662 激活AMPK 誘導線粒體自噬[45]。AMPK/mTOR在不同疾病中調控線粒體自噬的機制各有異同，線粒體蛋白的表達異常或缺失極大可能影響線粒體自噬，導致受損線粒體清除不及時而誘發相關疾病。AMPK/mTOR 直接或與其他相關通路交互作用介導線粒體自噬，調控自噬通量保護機體免受損傷，這種交互作用是我們需要關注并探討的。雖然AMPK/mTOR 調控線粒體自噬在線粒體疾病中的保護作用是明確的，但具體調節機制和相關靶點仍需進一步研究。