AMPK與胰島素抵抗

常洪霞，張紅學(xué)

(1.哈爾濱師范大學(xué);2.鄭州大學(xué))

1 AMPK的結(jié)構(gòu)及表達(dá)

AMPK屬于絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶，能感知細(xì)胞能量代謝狀態(tài)的改變，并通過影響細(xì)胞物質(zhì)代謝的多個(gè)環(huán)節(jié)維持細(xì)胞能量供求平衡.它是一個(gè)異源三聚體蛋白，由α、β和γ 3個(gè)亞單位組成，3個(gè)亞基均為AMPK活性所必需.每個(gè)亞基都有不同的亞型，分別為 α1、α2、β1、β2、γ1、γ2和γ3.α亞單位是激酶的主要催化部位，負(fù)責(zé)將ATP的磷酸傳遞至目標(biāo)蛋白，其含有2個(gè)功能區(qū):N末端是催化核心部位;C末端含有一個(gè)變構(gòu)結(jié)合位點(diǎn)參與AMP的結(jié)合，負(fù)責(zé)活性調(diào)節(jié)及與β和γ的聯(lián)系.α亞單位中的數(shù)個(gè)位點(diǎn)(蘇氨酸172、蘇氨酸258、絲氨酸485等)均可被磷酸化，其中蘇氨酸172位點(diǎn)及其磷酸化對(duì)AMPK活性的調(diào)節(jié)起重要作用.β亞單位相當(dāng)于一個(gè)支架，α和γ亞單位分別鑲嵌或錨在β亞單位的KIS和ASC區(qū)域，β亞單位C末端的保守結(jié)構(gòu)域是形成三聚體的關(guān)鍵;而N末端含有N2異淀粉酶區(qū)域，稱作糖原結(jié)合域，其功能可能與糖原對(duì)AMPK的調(diào)節(jié)有關(guān).γ亞單位有4個(gè)串行重復(fù)的CBS區(qū)域，可能與AMPK連接AMP有關(guān)，但其意義目前尚不清楚.

應(yīng)用免疫沉淀結(jié)合活性測(cè)定發(fā)現(xiàn)，α1在哺乳動(dòng)物組織中分布較為廣泛，α2在心臟、肝臟和骨骼肌表達(dá)較高.β2在骨骼肌中高表達(dá)，在肝臟中低表達(dá)，而β1則恰好相反.γ1和γ2廣泛表達(dá)于各組織細(xì)胞，γ3僅在骨骼肌中高表達(dá).AMPK在不同組織細(xì)胞中的這種以不同亞型復(fù)合體存在的現(xiàn)象，可能與組織特異性靶分子的調(diào)節(jié)有關(guān).

2 AMPK的活性調(diào)節(jié)

2.1 運(yùn)動(dòng)中AMPK的激活

2.1.1 AMP/ATP比值對(duì)AMPK活性的調(diào)節(jié)

AMPK的活性主要受細(xì)胞中 AMP/ATP比值的調(diào)節(jié).在生理情況下為了維持基本的代謝需要，細(xì)胞中維持著高濃度的ATP水平，AMP的含量很低，它們的比約為100∶1，AMPK處于無活性狀態(tài).運(yùn)動(dòng)時(shí)骨骼肌ATP含量減少伴隨著AMP水平的升高，這是由腺苷酸激酶的作用使

2ADP←→ATP+AMP維持平衡所決定的.AMP與ATP的比值升高，啟動(dòng) AMPK激酶系統(tǒng).AMP激活A(yù)MPK的機(jī)制尚不明確，目前認(rèn)為可能通過以下3種方式［1］:AMP通過結(jié)合到 γ亞單位2個(gè)CBS區(qū)域引起AMPK構(gòu)象的改變直接激活A(yù)MPK(＜5倍);AMPK和AMP的結(jié)合使之成為其上游激酶AMPK激酶(AMPKK)的良好底物，使蛋白磷酸化酶缺乏底物(50～100倍);AMP變構(gòu)激活 AMPKK，后者通過磷酸化作用激活A(yù)MPK.體外研究表明 AMP對(duì) AMPK活性的影響可被高濃度的ATP所拮抗，說明ATP和AMP能夠競(jìng)爭(zhēng)結(jié)合AMPK的變構(gòu)位點(diǎn)，也提示AMPK激活的關(guān)鍵信號(hào)是AMP的升高和ATP的降低.因此，推測(cè)細(xì)胞內(nèi)AMPK活性受ATP/AMP比值調(diào)節(jié)，ATP/AMP的比值可以作為AMPK活性的標(biāo)志，此比值的降低被認(rèn)為是在肌肉收縮和運(yùn)動(dòng)過程中激活A(yù)MPK的重要因素.

2.1.2 糖原含量對(duì)AMPK活性的調(diào)節(jié)

糖原含量也是調(diào)節(jié)AMPK活性的一個(gè)重要因素，同樣在AMPK激活劑5-氨基咪唑-4-甲酰胺核苷酸(AICAR)/運(yùn)動(dòng)刺激下，糖原含量高的骨骼肌AMPKα2的活性低于糖原含量低的骨骼肌.另外的一些研究也發(fā)現(xiàn)糖原的堆積能夠阻斷AICAR/運(yùn)動(dòng)刺激對(duì)AMPK活性的調(diào)節(jié)信號(hào)，表明糖原含量能夠負(fù)性調(diào)節(jié) AMPK的活性［2］.AMPK β 亞基含有糖原結(jié)合區(qū)域，但是用糖原顆粒孵育離體肌肉其AMPK活性并沒有明顯變化，推測(cè)糖原負(fù)調(diào)節(jié)AMPK的活性并不是兩者的直接相互作用.Barnes等發(fā)現(xiàn)γ3亞基敲出老鼠中，糖原負(fù)性調(diào)節(jié) AMPK活性的作用消失［3］，說明AMPK活性只有在γ3亞基存在的情況下才受糖原含量的負(fù)性調(diào)節(jié).因此推測(cè)在運(yùn)動(dòng)過程中AMPK活性的穩(wěn)定提高可以與糖原含量持續(xù)降低有關(guān).

2.1.3 細(xì)胞內(nèi)H+的變化對(duì)AMPK活性的調(diào)節(jié)

細(xì)胞內(nèi)H+的變化也可以改變AMPK的活性，關(guān)于AMPK的體外研究發(fā)現(xiàn)，pH從7.3降到6.6時(shí)，AMPK的活性逐漸增高.在運(yùn)動(dòng)過程中，尤其是耐力性運(yùn)動(dòng)中組織H+濃度的增加可能參與AMPK活性的調(diào)節(jié).

2.1.4 高能物質(zhì)磷酸肌酸對(duì)AMPK活性的調(diào)節(jié)

早期的研究發(fā)現(xiàn)骨骼肌高能物質(zhì)磷酸肌酸能變構(gòu)抑制AMPK的活性，同時(shí)認(rèn)為在高強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)的起始階段，磷酸肌酸作為能源物質(zhì)參與供能，其含量的急劇降低對(duì)AMPK的激活有一定的作用.最近研究發(fā)現(xiàn)，盡管磷酸肌酸在骨骼肌運(yùn)動(dòng)中，能通過緩沖ATP含量降低的速度和減少AMP的生成速度而調(diào)節(jié)AMPK的活性，但磷酸肌酸并不能直接影響AMPK的活性［4］.

2.2 AMPK激酶的研究

如上所述AMPK的激活需要AMPK激酶，試驗(yàn)已經(jīng)證明AMPK激酶的存在，LKB1最早發(fā)現(xiàn)于對(duì)Peutz-jegher綜合癥的研究中，被認(rèn)為是抑癌基因，LKB1與另外兩個(gè)稱為STRAD和MO25的亞結(jié)構(gòu)形成復(fù)合體，該復(fù)合體是LKB1活性所必需.LKB1可以直接磷酸化AMPK α亞單位上的蘇氨酸172位(α-Thr172)而激活A(yù)MPK，這種磷酸化過程主要依靠AMP結(jié)合AMPK γ亞單位引起AMPK構(gòu)象的改變使其成為L(zhǎng)KB1的良好底物，在這個(gè)過程中LKB1的活性沒有改變.

研究發(fā)現(xiàn)在缺少LKB1的細(xì)胞中，比如海拉細(xì)胞(在這種癌癥細(xì)胞中 LKB1未表達(dá))，α-Thr172仍可被磷酸化，AMPK活性仍可增強(qiáng)［5］，預(yù)示著LKB1并不是唯一存在的AMPK激酶.Ca2+/calmodulin-dependent protein kinase kinase(CaMKK)最早發(fā)現(xiàn)為激活CaMK的上游蛋白激酶，共有 6個(gè)亞型.Hawley等在 1995年發(fā)現(xiàn)CaMKK能夠磷酸化AMPK，最近的一些研究發(fā)現(xiàn) CaMKK 特別是 CaMKKβ(CaMKK2)亞基［6］，能夠磷酸化α-Thr172而激活A(yù)MPK.CaMKK作為AMPK的上游激酶預(yù)示了Ca2+信號(hào)在肌肉運(yùn)動(dòng)過程中起了激活A(yù)MPK的作用.最新的研究結(jié)果顯示CaMKK磷酸化和激活A(yù)MPK總是伴隨著細(xì)胞內(nèi)Ca2+濃度的增高，但可不伴隨AMP濃度的增高，更加肯定了這一點(diǎn).

2.3 AMPK的激活劑和抑制劑的研究

5-氨基咪唑-4-甲酰胺核苷酸 (5-amino-4-imidazolecarboxamide-riboside，AICAR)是腺苷的類似物，它在細(xì)胞里能轉(zhuǎn)換為環(huán)腺苷-磷酸衍生物5-aminoimidazole-4-carboxamide ribonucleoside(ZMP)，ZMP是AMP的類似物，具有激活 AMPK的作用.目前研究中一般應(yīng)用AICAR作為AMPK激活劑，激活A(yù)MPK以研究其生物作用，但值得注意的是，AICAR是介導(dǎo)嘌呤生物合成的物質(zhì)，同ZMP、ZDP和ZTP一樣它還有其他細(xì)胞效應(yīng)，并非 AMPK的特異激活劑［7］.近年來對(duì)AMPK抑制劑的研究有所進(jìn)展，Davies等研究發(fā)現(xiàn) Br8-AMP能夠抑制AMPK活性，其機(jī)制可能是Br8-AMP與AMP競(jìng)爭(zhēng)結(jié)合AMPK的別構(gòu)位點(diǎn)，2mM Br8-AMP可抑制AMPK80%的活性.Zhou等最近報(bào)道了一種AMPK的抑制物質(zhì)，稱為復(fù)合物 C(compound C)，目前對(duì)其性質(zhì)還缺乏了解.但由于特異性的原因這些抑制劑在研究中的應(yīng)用也有局限性.例如，復(fù)合物C在骨骼肌中不能抑制AMPK的活性，Br8-AMP只能抑制AICAR誘導(dǎo)的AMPK活性增高，而對(duì)收縮誘導(dǎo)的AMPK活性增高沒有抑制作用［8］.

3 AMPK與胰島素敏感性

3.1 一次運(yùn)動(dòng)后胰島素敏感性增加的機(jī)制研究

運(yùn)動(dòng)后胰島素敏感性會(huì)增加，但其具體機(jī)制并不清楚，最近研究認(rèn)為AMPK可能在運(yùn)動(dòng)后骨骼肌胰島素敏感性增加過程中起著重要作用.Fisher等發(fā)現(xiàn)預(yù)先用AICAR孵育1小時(shí)的滑車上肌胰島素誘導(dǎo)的葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)量增加一倍［9］，并且這種作用不能被環(huán)己酰胺(蛋白質(zhì)合成酶的一種抑制劑)所抑制，由此可以排除是葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)體表增多的原因.然而在后來研究者用復(fù)合物C(AMPK的一種抑制劑)來驗(yàn)證AMPK在運(yùn)動(dòng)誘導(dǎo)的胰島素敏感性增加過程中的作用的時(shí)候卻沒有得到相同的結(jié)論［10］，提示了此問題有待進(jìn)一步研究.AICAR誘導(dǎo)的胰島素敏感性增加的機(jī)制，可能是通過直接調(diào)節(jié)胰島素信號(hào)傳導(dǎo)過程.研究發(fā)現(xiàn)小鼠肝臟純化的AMPK可以磷酸化IRS-1(胰島素受體底物-1)的Ser789(789位點(diǎn)絲氨酸)［11］，用 AICAR 激活小鼠 C2C12成肌細(xì)胞和肌管AMPK發(fā)現(xiàn)IRS-1的789位點(diǎn)絲氨酸發(fā)生特異性磷酸化，提前用 AICAR孵育小鼠C2C12成肌細(xì)胞和肌管，發(fā)現(xiàn)胰島素可以使與IRS-1相連的 PI3K活性增加，提示運(yùn)動(dòng)后AMPK可能通過磷酸化胰島素信號(hào)傳導(dǎo)的上游成分-IRS-1增加胰島素敏感性.但是AICAR孵育激活A(yù)MPK導(dǎo)致的胰島素誘導(dǎo)的PI3K活性的增加作用不依靠IRS-1的絡(luò)氨酸磷酸化，并且提前用AICAR孵育成人完整的骨骼肌細(xì)胞并沒有使胰島素誘導(dǎo)的與IRS-1的磷酸酪氨酸相連的PI3K活性增加.由于運(yùn)動(dòng)后的大鼠后肢骨骼肌胰島素誘導(dǎo)的胰島素受體、IRS-1(胰島素受體底物)的絡(luò)氨酸磷酸化程度降低，以及和IRS-1相連的PI3K活性降低，認(rèn)為AMPK磷酸化IRS-1的789位點(diǎn)絲氨酸可能在運(yùn)動(dòng)后胰島素敏感性增加過程中并不起的作用.在胰島素抵抗的小鼠中，IRS-1的789位點(diǎn)絲氨酸可能起著衰減胰島素信號(hào)的作用，在肝臟中AMPK不能磷酸化ISR-1的789位點(diǎn)絲氨酸［12］.因此ISR-1的789位點(diǎn)絲氨酸在胰島素敏感性中的作用以及AMPK磷酸化ISR-1的789位點(diǎn)絲氨酸的作用都需要進(jìn)一步研究.

3.2 長(zhǎng)期訓(xùn)練機(jī)體胰島素敏感性提高的機(jī)制研究

長(zhǎng)期訓(xùn)練也可以使機(jī)體胰島素敏感性提高，研究發(fā)現(xiàn)AMPK在此過程中同樣起著重要的作用，其機(jī)制是通過增加和糖轉(zhuǎn)運(yùn)有關(guān)的蛋白(GLUT4、己糖激酶II)的表達(dá)來提高胰島素敏感性.Winder等發(fā)現(xiàn)反復(fù)AICAR刺激激活A(yù)MPK可以在觀察到小鼠肌肉胰島素誘導(dǎo)的葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)增多的同時(shí)伴隨著肌肉GLUT4、己糖激酶II表達(dá)增多［14］，這種效果和長(zhǎng)期運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練的效果相似.利用同樣的方法Buhl等也發(fā)現(xiàn)離體肌肉胰島素誘導(dǎo)的葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)的增多［14］.關(guān)于GLUT4、己糖激酶II表達(dá)增多的機(jī)制還不清楚，有人推測(cè):AMPK可能通過磷酸化目標(biāo)轉(zhuǎn)錄因子開啟GLUT-4基因的表達(dá).Holmes等發(fā)現(xiàn)肌肉收縮激活的AMPK可促使轉(zhuǎn)錄因子肌細(xì)胞增強(qiáng)子(MEF2)和GLUT-4增強(qiáng)子(GEF)結(jié)合，以及鈣調(diào)蛋白依賴性蛋白激酶(CaMK)表達(dá)增強(qiáng)，從而增加 GLUT-4的轉(zhuǎn)錄［15］.相對(duì)于 GLUT4來說對(duì)AMPK誘導(dǎo)HK II表達(dá)增多的調(diào)控機(jī)制研究還相當(dāng)少，有待進(jìn)一步研究.

3.3 AMPK在胰島素抵抗機(jī)體中的作用研究

在大量研究表明單次使用AICAR激活A(yù)MPK就可以增加肌肉葡萄糖的轉(zhuǎn)運(yùn)、降低血糖含量、提高胰島素敏感性基礎(chǔ)上，很多研究開始轉(zhuǎn)向檢驗(yàn)激活A(yù)MPK在胰島素抵抗的機(jī)體中的作用.過度肥胖的Zucker大鼠，胰島素不能增加葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)，用AICAR孵育激活A(yù)MPK 90 min能抑制肝臟葡萄糖的產(chǎn)生，增加胰島素誘導(dǎo)的葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)［16］，同樣胰島素抵抗的高脂飼料肥胖大鼠，一次AICAR注射就能引起肝臟和肌肉的胰島素敏感性增加(注射 AICAR 24 h后測(cè)量)［17］，這些結(jié)果顯示了在胰島素抵抗動(dòng)物中藥物激活A(yù)MPK起著降低血糖濃度的作用.

同樣一些學(xué)者也研究了反復(fù)激活A(yù)MPK在胰島素抵抗的機(jī)體中的效果，通過對(duì)KKAy-CETP大鼠7 d腹膜注射AICAR，發(fā)現(xiàn)機(jī)體血糖濃度降低(原來很高)，同時(shí)胰島素敏感性增加［18］，然而，離體肌肉胰島素誘導(dǎo)的葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)卻沒有增加.通過對(duì)ob/ob大鼠7 d皮下注射AICAR發(fā)現(xiàn)其高血糖癥消失，胰島素敏感性增加［19］，然而和 KKAy-CETP 大鼠一樣，最后一次皮下注射AICAR 24小時(shí)后分離肌肉測(cè)試，也發(fā)現(xiàn)胰島素誘導(dǎo)的葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)沒有增加.值得注意的是，由于AICAR并非AMPK的特異性激酶，這些結(jié)果可能具有局限性，為了更好的確定AMPK是否為運(yùn)動(dòng)后的胰島素敏感性增加所必須，未來的研究應(yīng)該在基因敲除和轉(zhuǎn)基因老鼠中進(jìn)行.

4 結(jié)語

糖代謝是各種物質(zhì)代謝的基礎(chǔ)，是運(yùn)動(dòng)中骨骼肌的主要能量來源，AMPK作為能量代謝變化的感受器能夠被運(yùn)動(dòng)中ATP/AMP的比值變化等因素所激活，對(duì)改善胰島素抵抗有直接調(diào)節(jié)作用，對(duì)其信號(hào)途徑的基礎(chǔ)研究對(duì)于提高運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練水平，更新訓(xùn)練理論和改進(jìn)訓(xùn)練方法具有不可估量的作用，同時(shí)，這些問題的研究也為運(yùn)動(dòng)對(duì)預(yù)防和治療以胰島素抵抗為主要病因的2型糖尿病提供了理論依據(jù).

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