AMPK研究进展

AMPK研究进展•腺苷酸活化蛋白激酶(AMP-activatedproteinkinase,AMPK)是丝，苏氨酸蛋白激酶,一种重要的蛋白激酶，主要协调代谢和能量的需要。•短期效应能调节能量代谢，长期效应能调节基因转录。激活AMPK，一方面关闭消耗ATP的合成代谢途径；另一方面启动产生ATP的分解代谢途径，故被称为“细胞能量调节器”。能够调节机体的能量代谢，维持能量的供求平衡。近年来，随AMPK研究的深入，发现其下游靶蛋白种类和数量众多，具有多种重要的生物学效应。能改善代谢综合征，故使其受到越来越广泛的关注。一AMPK的结构•AMPK是一个异源三聚体蛋白，由α(63kD)、β(30kD)和γ(37-63kD)3个亚单位组成。其中，α亚单位起催化作用，而β和γ亚基在维持三聚体稳定性和作用底物特异性方面起重要作用。每个亚单位都存在由2-3种基因所编码的异构体(α1，α2、β1，β2和γ1，γ2γ3)，从理论上来讲，α、β和γ的不同异构体可形成各种可能的组合,可能有12种。•AMPKα含有548个氨基酸，可分为催化区N末端(1～312AA)、是起催化作用的核心部位，含有一个典型的丝，苏氨酸蛋白激酶的催化区域，中间一个自动抑制区(312～392AA)和C末端一个亚单元结合区域(392～548AA)含有变构结合位点，参与和AMP的结合。•α亚单位中的8个位点(苏氨酸172、苏氨酸258、丝氨酸485等)均可被磷酸化，其中苏氨酸172位点及其磷酸化对AMPK活性的调节起重要作用。研究中所检测的总AMPK及活性AMPK蛋白通常是指其α亚单位，•2011年7月3日在CellMetabolism杂志上研究人员发现了AMPKalpha2催化亚基上一个新丝氨酸磷酸化位点serine491，这一位点介导leptin的抑制作用，并且是leptin影响进食和体重的关键位点。阻断AMPKα2-serine491的磷酸化会使下丘脑AMPK活性增强、进食量和体重增加。•Leptin影响下丘脑AMPKα2活性、神经肽表达、进食量和体重都需要Serine491的磷酸化。•研究还发现，p70S6激酶是一种AMPK活性抑制激酶，而AMPK是mTOR-p70S6激酶的底物。p70S6激酶和AMPKα2形成复合体，使serine491位点磷酸化。•β亚单位则好似一个支架，它可把α和γ亚单位连接起来。β亚单位N末端区域之后紧跟着两个保守的结构域——KIS和ASC，ASC结构域为形成稳定有活性的αβγ的复合物所必需，而KIS并不与激酶的其他亚基相互作用。KIS结构域序列与“N-异淀粉酶结构域”序列密切相关，为β亚基上的功能性糖原结合结构域。其功能可能与糖原对AMPK的调节有关。•β亚基的N端豆蔻酰化和磷酸化，这些翻译后的修饰，调节酶活性和亚基的细胞定位.•γ亚基的N端区域在大小和序列上变化较大，与γ1相比，γ2和γ3的N端区域较长。γ亚单位有4个串行重复的CBS(胱硫醚β-合酶:cystathionine-β-synthase，CBS）结构域。γ亚基含有两个能结合激活性核苷酸AMP和抑制性核苷酸ATP的调节位点。•AMPK以异源三聚体形式广泛存在于哺乳动物的各种真核细胞种类，这种保守的三聚体形式是该酶的结构和功能所必需的。AMPK亚单位在不同组织器官的分布不同，所形成的三聚体亦各异，可能与组织特异性靶分子的调节有关。•γ亚基的N端乙酰化，也增加了AMPK调节的复杂性。二AMPK的组织分布•AMPK各亚基的组织分布不同。α1分布很广，主要分布于肾、肝、肺、心脏和脑；α2主要分布在骨骼肌、心脏和肝脏。已证实α2亚基也存在于脑神经元中，而且α2亚基含量明显高于α1亚基。研究还发现α1定位于胞质，而α2主要定位于胞核，提示在有ATP损耗的细胞应激反应中，AMPK-α2复合物的核定位可能至少部分通过磷酸化转录因子，调节基因表达。•β1在肝脏高表达，在骨骼肌中低表达；而β2恰好相反。•γ1、γ2广泛分布于各组织细胞，γ3仅在骨骼肌中含量较高。•在大部分细胞中主要以α1、β1和γ1异构体为主，而在肝细胞和脑中α2表达较高，骨骼肌和心肌中α2、β2和γ2γ3则均有表达。三AMPK活性的调节•AMPK是一种高度保守的丝氨酸／苏氨酸蛋白激酶。目前，据研究发现至少有3种AMPK的上游激酶，分别为LKB1、AMPKK、TAK1和CaMKK。•其AMPK活性调节非常复杂，它可被5‘-AMP别构激活以及被磷酸肌酸别构抑制，也可被其上游的AMPK激酶(AMPKK)激活，它们的作用位点都是磷酸化AMPKα亚基172位苏氨酸。1、AMPK的上游激酶•LKB1最早发现于Peutz—Jegher综合征(（色素沉着息肉综合征）的研究中，是人体细胞中一个抑癌基因，又叫STK11(serine／threonineproteinkinase11)，是由lkb基因编码的丝氨酸／苏氨酸蛋白激酶家族的成员，是一种抑癌因素，其编码的蛋白质称为LKB1／STK11.•它可以直接磷酸化AMPKα亚单位上的172位苏氨酸而激活AMPK。•LKB1发挥作用还必须有两个附属蛋白质的共同存在：STRAD和MO25。STRAD(STE20relatedadaptorprotein)是LKB1特异性接头蛋白和底物，MO25(mouseprotein25)主要参与LKB1的调节，它通过结合到STRAD的羧基端从而发挥稳定STRAD和LKB1复合物的功能•LKB1不仅活化AMPK，还激活AMPK亚家族的多种激酶。相应地，这些激酶参与介导LKBl的磷酸化效应，包括其肿瘤抑制功能。RegulationofAMPKactivation.LKB1的结构及组织分布•LKB1基因定位于人19p13．3，整个基因跨度为23kb。LKB1蛋白由433个氨基酸残基组成(鼠类的LKB1有436个氨基酸残基)，分子量为50kD，具有丝氨酸／苏氨酸蛋白激酶功能.•LKB1广泛分布于人体多种组织中.，发现几乎所有组织均有表达，其中成人以上皮、睾丸生精小管和肝脏的表达最强，而胎儿组织中又高于成人；肿瘤组织中的表达高于相应的正常组织.LKB1的活性调节•LKB1的激酶催化域位于第44-309位氨基酸残基。在LKB1的433个氨基酸残基中，第1-346氨基酸残基是维持其激酶功能所必需的，其中第38-43氨基酸残基为LKB1的核定位信号序列(nuclearlocalisationsignal，NLS)。LKB1通过NLS定位于细胞核，通过与LIP1(LKB1interactingprotein一1)作用而锚在细胞质.•在某些特定细胞(如神经元，内皮细胞，淋巴细胞等)，AMPK也能被Ca2+和AMP依赖的磷酸化激活，这一过程中的上游激酶是CaMKKβ。•AMP可以加强LKB1／STRAD／M025复合物对完整AMPK三聚体的磷酸化，但是不能加强该复合物对分离的、单个的AMPKα亚基的磷酸化。•TAK1(TGF-β活化激酶一1)被广泛认为是一种MAPKK(促分裂原活化蛋白激酶激酶)激酶-7，近来研究表明其在AMPK活化通路中具有中枢般的调节作用。•研究表明，体外TAK1(TGF-β-activatedkinase-1)[也就是MAP3K7(MAPKKkinase-7)]，以及TAK1相关蛋白TAB1能够使Thr172磷酸化，激活AMPK，从而被认为是一种新的AMPKK。•当TAK1缺乏时，LKB1也有一定的活性，提示除了TAK1对AMPK的直接激活作用外，还可能存在着其他的作用机制。•CaMKK(钙调蛋白依赖性蛋白激酶激酶)也能够调节AMPK的活性，CaMKK主要存在于神经系统，其对Thr172的磷酸化不依赖于AMP浓度的升高，而是通过增高Ca2+浓度从而激活AMPK。其调节是通过细胞内钙离子浓度的升高而启动。2、通过AMP／ATP比值调节•AMPK的活性主要受细胞中AMP／ATP比值和肌酸／磷酸肌酸比值的升高的调节。在生理情况下，为了维持基本的代谢需要，细胞中维持着高浓度的ATP水平。在多数真核细胞中，ATP／ADP的比值约为10：1，而且在很小的范围内变化。在腺苷激酶的作用下2ADP←→ATP+AMP，因而AMP／ATP比值是ADP／ATP的级数，而且比后者的比值变化更为敏感。当细胞受到任何引起ATP生成减少，消耗增加的应激刺激时，AMP／ATP比值增加，AMPK则被激活。因而，AMP是调节AMPK的关键，但AMP是如何调节AMPK的机制尚不完全清楚。在体内许多因素，如缺血、缺氧、葡萄糖缺乏、饥饿、电刺激、热休克，以及一氧化氮、三羧酸循环或氧化磷酸化的抑制剂，如亚砷酸盐、抗霉素A、二硝基苯酚和叠氮化合物等，均导致AMP／ATP比值显著增高•AMP激活AMPK的机制可能通过以下3种方式：(1)AMP直接作用于AMPK，变构激活AMPK；(2)AMPK和AMP结合使之成为其上游激酶AMPK激酶(AMPKK)的良好底物和蛋白磷酸酶的不良底物；(3)AMP直接变构激活AMPKK，后者通过磷酸化作用激活AMPK。3、激活剂•AMPKK和AMPK可被5一氨基咪唑-4-甲酰胺核糖核苷酸(AICAR)激活。AICAR能被细胞摄取，在腺苷激酶的磷酸化作用下形成一磷酸衍生物ZMP(5-aminoimidazole-4-Carboxamide-1-β-D-ribofuranosy1-5-monophate)，ZMP具有AMP样作用，可激活AMPK。•Jorgensen等发现AICAR激活AMPK并诱导骨骼肌细胞摄取葡萄糖，只与AMPKα2亚基密切相关，与α1亚基无关；而肌肉收缩诱导AMPK活化与AMPKα1、α2亚基均有关。4、其他•目前认为，AMP通过结合AMPK的γ亚单位引起AMPK的构象改变，一方面可以直接增加酶的活性(5倍)，另一方面可以使其构象改变更有利于AMPK激酶对其磷酸化，进而增加AMPK活性(50～100倍)。•所有这些AMP对AMPK的激活作用均可被ATP所拮抗。5、AMP通路的调节⑴Leptin（瘦素）在调节摄食、能量消耗和神经内分泌功能方面起重要作用。最近研究表明，leptin选择性激活骨骼肌中的AMPKa2亚基，早期激活是leptin对肌肉的直接作用，在骨骼肌瘦素可直接激活AMPK活性进而抑制乙酰COA羧化酶(ACC)活性，加速脂肪酸的氧化作用，减少甘油三酯的沉积。同时其在肝脏中对糖脂代谢调节亦是通过激活AMPK来发挥作用，而且依赖于酪氨酸激酶(JAK2)信号通路发挥作用的。瘦素对胰岛素分泌的影响的研究结论仍不同，但可以肯定的是AMPK的激活能抑制胰岛素的释放。而其后的激活作用则有赖于下丘脑．交感神经系统轴，但在下丘脑中leptin抑制AMPK活性，引起摄食减少和体重下降。瘦素在不同组织对AMPK的影响不同的原因有待于进一步研究，推测可能由于不同组织AMPK各亚单位表达以及其上游激酶LKB1、钙调节蛋白激酶的表达差异造成。⑵Adiponectin（脂联素）是一种由脂肪细胞产生的抗糖尿病胰岛素抵抗和抗动脉粥样硬化的细胞因子。adiponectin激活AMPK，进而激活其下游靶点MAPK，增强PPARα转录活性及靶基因的表达，促进骨骼肌脂肪酸的氧化,降低脂质在骨骼肌的堆积，同时减少游离脂肪酸进入肝脏，改善肝脏的胰岛素抵抗，从而降低肝糖的生成和极低密度脂蛋白的合成。刺激骨骼肌脂肪酸氧化和葡萄糖摄取，抑制内源性葡萄糖产生以及抑制平滑肌细胞增殖，有抗糖尿病及抗动脉粥样硬化作用。脂联素介导的AMPK通路还可与其它信号通路相互作用，减弱mTOR信号通路，有效阻止mTOR介导的IRS-2的降解。近年发现，adiponectin通过激活AMPK在促进新血管生成、抑制内皮细胞凋亡方面发挥积极作用，但其激活AMPK的具体信号转导机制仍不清楚。⑶ghrelin(脑肠肽)是近年来发现的一种肽类激素，是生长激素促泌物受体(GSH-R)的内源性配体。研究发现活体注射ghrelin能够刺激下丘脑AMPK的激活。(Proteinphosphatase2C)peroxisomeprolif